Mikroalgal biyoproses optimizasyonu, mikroalgal ekstrakt yüklü nanopartiküllerin üretimi ve antikanser etkilerinin araştırılması
Microalgal bioprocess optimization, production of microalgal extract loaded nanoparticles and investigation of their anticancer effects
Yazar: BENAN İNAN
Danışman: DOÇ. DR. DİDEM ÖZÇİMEN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı / Biyomühendislik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Biyoteknoloji = Biotechnology
Dizin: Nanobiyoteknoloji = Nanobiotechnology

Özet:
Biyoaktif maddelerin birçoğunun sıcaklık, ışık ve oksijenden kolaylıkla etkilenerek depolama ve işleme sürecinde kolayca bozulmaları ve lipofilik özellikte olup, sindirim sırasında zayıf adsorpsiyon özellikleri göstermesi, bu maddelerin doğrudan kullanımını sınırlamaktadır. Sağlık alanında nanoteknoloji uygulamalarının en önemli odak noktalarından birisi, çevre koşullarından etkilenen bu biyoaktif maddeleri, nano yapı haline getirerek istenmeyen etkileşimlerden koruyan ve vücuda alım sonrası vücut içerisinde hedef bölgeye salınımını sağlayan bir enkapsülasyon sistemi geliştirmektir. Antimikrobiyal, antioksidan, antifungal özelliklere sahip, omega-3 yağları ve antioksidanlarca zengin mikroalg yağları son yıllarda hem gıda hem de ilaç sektöründe dikkat çeken önemli biyoaktif maddelerdendir. Biyoaktif maddelerce zengin mikroalg yağlarının fiziksel ve kimyasal stabilitesini geliştirmek amacıyla nanoteknolojik yaklaşımlar ile enkapsüle edilmesine yönelik çalışmalar henüz oldukça yeni olup, bu yağların hem gıda takviyesi hem de farmasötik amaçla uygulanması umut vaat etmektedir. Bu çalışmada Botryococcus braunii ve Microcystis aeruginosa türlerinin üretim biyoprosesi ve biyoproses optimizasyonu ile analizleri yapılarak değerli ekstraktları elde edilmiştir. Ardından mikroalgal ekstraktların elektrospreying yöntemi kullanılarak enkapsülasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Elektrospreying yöntemi ile mikroalglerden elde edilen biyoaktif bileşenlerce zengin ekstraktlardan nano yapılar elde edilmiş ve tez çalışması ile elde edilen ürünlerin antikanser etkileri araştırılmıştır. Yapılan tez çalışması sonucunda en yüksek lipid içeriği Botryococcus braunii ve Microcystis aeruginosa için sırasıyla %53,80 ve %32,61 olup; 0,1875 g NaNO3, 22,5°C sıcaklık ve 16 saat aydınlatma koşulları altında elde edilmiştir. Elde edilen ekstraktların gaz kromatografisi analizleri sonucunda palmitik (16:0), oleik (18:1), linoleik (18:2), araşidik asit (20:0) ve eikozapentenoik (EPA) (20:5) asitler gibi değerli biyoaktif bileşenlerin varlığı tespit edilmiştir. Elektrospreying yöntemi ile antibakteriyel ve antioksidan özelliklere sahip olan ekstraktlarla yüklü nanopartikül üretimi sonucunda 90 nm boyutunda partikül eldesi sağlanabilmiş, optimizasyon çalışmaları ile en uygun koşulların %8 PVA içerikli aljinat çözeltisi, 0,2 ml/sa akış hızı ve 13 cm kollektör uzaklığı olduğu belirlenmiştir. Tez çalışması ile elde edilen ekstraktlar ve bu ekstraktlarla yüklü nanopartiküllerin L929 fare fibroblast hücrelerine sitotoksik etki göstermediği görülmüş olup, PC-3 prostat kanser hücre hattı, SHSY-5Y nöroblastom (beyin) hücre hattı ve AGS gastrik adenokarsinom (mide) hücre hattı üzerine sitotoksik etkide bulunduğu tespit edilmiştir. Elde edilen bulgular doğrultusunda, bu tez çalışmasıyla biyoaktif maddelere sahip olan Botryococcus braunii ve Microcystis aeruginosa türlerinin ekstrakt ve ekstratlarıyla üretilmiş nanopartiküllerin özellikle farmasötik ve kozmetik alanlarında değerlendirilebilme potansiyeli olduğu gösterilmiştir.

Abstract:
Many of the bioactive substances are easily affected by temperature, light and oxygen, and are easily degraded during storage and processing and exhibit poor adsorption properties during digestion, limiting their direct use. One of the most important points of nanotechnology applications in the field of health is to develop an encapsulation system that protects these bioactive substances from environmental influences from unwanted interactions by making them into nanostructures and releases them to the target area within the body after intake. Microalgae are rich in omega-3 oils which have antimicrobial, antioxidant, antifungal properties, and antioxidants that are important bioactive substances that attract attention in both food and pharmaceutical sectors in recent years. Studies to encapsulate bioactive compound-rich microalgae oils with nanotechnological approaches to improve the physical and chemical stability are relatively new, and it is promising to apply these oils for both food supplements and pharmaceutical purposes. In this study, production bioprocess and bioprocess optimization of Botryococcus braunii and Microcystis aeruginosa species were carried out and valuable microalgal extracts were obtained. Then, encapsulation studies of microalgal extracts were performed by using electrospraying method. Nano structures were obtained by evaluating extracts rich in bioactive components obtained from microalgae by using electrospraying method and anticancer effects of products obtained from this study were investigated. The highest lipid contents of Botryococcus braunii and Microcystis aeruginosa were 53,80% and 32,61% obtained under the conditions of 0.11875 g of NaNO3, at the temperature of 22.5°C and 16 hours of illumination, respectively. As a result of the gas chromatography analysis of the obtained extracts, the valuable bioactive components such as palmitic (16:0), oleic (18:1), linoleic (18:2), arachidic acid (20:0) and eicosapentenoic (EPA) (20:5) acids were determined. By using electrospraying method, nanoparticles produced with microalgal extracts which have antibacterial and antioxidant properties, were obtained with the size of 90 nm, and the optimum electrospraying conditions were found to be alginate solution with 8% PVA, flow rate of 0.2 ml/h and 13 cm collector distance. The obtained extracts and the nanoparticles loaded with these extracts were found to have no cytotoxic effect on L929 mouse fibroblast cells. In addition to that, they showed cytotoxic effect on PC-3 prostate cancer cell line, SHSY-5Y neuroblastoma (brain) cell line and AGS gastric adenocarcinoma (stomach) cell line. In the light of obtained findings, it was shown that nanoparticles produced with extracts and extracts of Botryococcus braunii and Microcystis aeruginosa species which have bioactive substances have potential to be evaluated especially in pharmaceutical and cosmetic fields.