Çevre kirliliğinin izlenmesi için fiber-optik DNA biyosensörlerinin geliştirilmesi ve üretimi
Fabrication and development of fiber-optic DNA biosensors for environmental monitoring
Yazar: ZEHRA BANU BAHŞİ
Danışman: PROF. DR. MEHMET KARPUZCU
Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü / Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2010
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Bu çalışmada, çevre kirliliği izlemesi için optik tabanlı DNA biyosensörünün üretimi ve geliştirilmesi amaçlanmıştır. Hem DNA tutuklanması için uygun yüzeylerin sağlanması hem de optik özelliklere uygun, dalga kılavuzu özelliğine sahip katı altlıkların oluşturulması için SiO2-TiO2 ince filmler cam altlıklar üzerine sol-jel tekniği ile daldırarak kaplama cihazında kaplanmıştır. SiO2-TiO2 ince filmlerin nanoboyutta homojen dağılmış porlara ve kovalent olarak DNA tutuklanması için gerekli olan ?OH bağlarına sahip olduğu sırasıyla Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ve Fourier Dönüşümlü Kızılötesi (FTIR) Spektroskopisi karakterizasyonlarıyla gösterilmiştir. Film yüzeyi 3-(trietoksisil)propilamin (APTES) ile silanize edilmiştir. Daha sonra bu tek tabakanın üzerine çapraz bağlayıcı görevi görecek olan 1,4-fenilen diisotiyosiyanat (PDC) uygulanmıştır. Teorik olarak, APTES tek tabakasındaki epoksi gruplarıyla film yüzeyindeki ?OH gruplarının reaksiyona girdiği ve PDC' nin de karbon (C) bağlı uçlarından bir ucuyla APTES tabakasında bulunan amin grubundaki, diğer ucuyla ise amin modifiye DNA' daki amin grubundaki azot (N) ile bağlanarak tutuklanmanın gerçekleştiği düşünülmektedir.Burada su kirliliğinin indikatör parametresi olarak bilinen ve suyoluyla bulaşan ciddi hastalıklara yol açan koliform grup bakterisi E.coli (koli basili)' nin patojen bir türü olan E.coli O157:H7 bakterisine özgü DNA (Gen numarası 957271), Prob DNA olarak seçilmiştir. Dönüştürücü olarak, dielektrik filmlerin kırılma indisi değişimlerini yüksek doğruluk payı ile ölçen prizma çiftleyici cihazı kullanılmıştır. Böylece DNA tutuklanması ve hibritleşmesi sonrasındaki küçük kırılma indisi değişimlerinden algılama yapılmıştır. DNA tutuklanmasının ve hibridizasyonun gerçekleştiği Floresan Mikroskobu fotoğraflarıyla desteklenmiştir. Ayrıcasentetik DNA ile yapılan hibridizasyon işlemleri, evsel atıksu numunesinden DNA kiti (Bacteria DNA Preparation Kit from Jena Bioscience) kullanılarak izole edilen DNA' lar (Numune DNA) ile de yapılmıştır. Prizma çiftleyici cihazıyla Prob DNA tutuklanması ve Numune DNA hibridizasyonu kırılma indisi değişimlerinden algılanmıştır.

Abstract:
The purpose of this study is to fabricate and develop fiber-optic DNA biosensors for environmental monitoring. Sol-gel derived SiO2-TiO2 thin films were deposited on glass substrates by using dip coater to obtain suitable surfaces for DNA immobilization and waveguide properties. SEM (Transmission Electron Microscope) micrographs showed that SiO2-TiO2 thin films had homogenous nanosize pores. Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) confirmed that thin films had ?OH groups on the surface for DNA immobilization. First, the substrate surface was silanized with APTES (3-(Triethoxysilyl)propylamine) monolayer. Then PDC (1,4 phenylene diisothiocyanate) was applied as a homobifunctional crosslinker. It is known that -OH groups on the film surface react with ethoxy groups of APTES. Then Carbon (C) terminals of PDC attach with nitrogen (N) terminals in amine groups of APTES and amine modified DNA.Coliform bacteria like E.coli are indicators for water contamination and cause severe waterborne illnesses. Therefore, the DNA of E.coli O157:H7 (Gene ID 957271) which is the pathogen strain of E.coli, was chosen as a Prob DNA in this study. Prism coupler is used as an optical transducer that measures the refractive index changes of the dielectric films accurately. Thus, minute changes in refractive index could be detected after DNA immobilization and hybridization process. DNA immobilization and hybridization processes were supported by fluorescent microscope images. The developed biosensor was tested with domestic wastewater samples. First, DNA (Sample DNA) from the wastewater samples was extracted by using DNA isolation kit (Bacteria DNA Preparation Kit from Jena Bioscience). Later, prob DNA immobilization and sample DNA hybridization processes were detected from the refractive index changes by using prism coupler.