Mikrobiyal biyopolimer üretimi ve antimikrobiyal yüzey olarak kullanımının araştırılması
Production of microbial biopolymer and research on using as antimicrobial surface
Yazar: GÖZDE KOŞARSOY AĞÇELİ
Danışman: PROF. DR. NİLÜFER CİHANGİR
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Biyoloji = Biology ; Biyoteknoloji = Biotechnology ; Mikrobiyoloji = Microbiology

Özet:
Levan, bitkilerden ve mikroorganizmalardan doğal olarak elde edilen fruktoz homopolimeridir. 
Biyouyumluluk, biyobozunabilirlik, yenilenebilirlik, esneklik ve çevre dostu olma gibi özelliklerinin yanı sıra anti-oksidan, anti inflamatuar, anti-kanserojen, anti-AIDS ve hiperglisemik inhibitör gibi bazı önemli biyomedikal özelliklere de sahiptir. Yüksek üretim maliyetleri nedeniyle levan, polimer pazarında asla doğru yerini bulamamış ve bu nedenle yüksek verimle levan üreten mikrobiyal sistemler endüstriyel önem kazanmıştır. Antimikrobiyal peptitler ve bunların öncü molekülleri insan ve memeli doğasında bağışıklığın merkezi bir bölümünü oluştururlar. hCAP18 / LL-37, antimiktobiyal peptidi, insanda bulunan tek kathelisidindir. Deride, invaziv bakteriyel enfeksiyonları önlemek için LL-37/mCRAMP gereklidir. Antimikrobiyal özelliklerinin yanısıra, LL-37 doğuştan gelen bağışıklık sisteminde ve inflamasyonda merkezi bir rol oynamaktadır.
Bu çalışmada, topraktan mikroorganizma izolasyonu ile levan üreten mikroorganizmalar belirlenmiştir. Pseudomonas mandelii, çalışmada levan üretimi için kullanılan mikroorganizmadır.  Pseudomonas mandelii ile elde edilen biyopolimer CNMR, HNMR, FTIR analizleri karakterize edilmiş ve bu polimerin levan olduğu doğrulanmıştır. Üretilen polimerin inkübasyon zamanı, azot, pH, sıcaklık, şeker miktarı, karbon kaynağı optimizasyonları gerçekleştirilerek en yüksek levan eldesi sağlanmıştır. Optimizasyonlar sonucu Pseudomonas mandelii'den elde edilen en yüksek levan miktarı 42,6 g/L olarak bulunmuştur. Buna ek olarak levan dönüşüm verimi %37,8,  efektif verim ise %27,7 olarak hesaplanmıştır. Levan ile farklı içeriklerde film örnekleri hazırlanmış ve plastikleştirici olarak gliserolün kullanılması uygun görülmüştür. Film örnekleri su buharı geçirgenliği ve termogravimetrik analiz (TGA) açısından değerlendirilmiştir. Film örneklerine değişik miktarlarda LL-37 antimikrobiyal peptidi ilave edilerek antimikrobiyal özellikleri farklı mikroorganizmalar üzerinde belirlenmiştir. Yara tedavisinde kullanılan antibiyotiklerin antimikrobiyal etkisi ile film kompozisyonlarının antimikrobiyal etkisi karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. LL-37 içerikli biyopolimer filmlerin E.coli, S.aureus, Candida albicans ve Aspergillus niger üzerinde antimikrobiyal etkisi olduğu belirlenmiştir. Film örneklerinin özellikle Candida albicans üzerindeki antimikrobiyal etkisi karşılaştırma yapılan tüm antibiyotiklerden daha yüksektir.  Elde edilen doğada bozunabilir özellikteki bu biyopolimer filmin tıbbi alanda yaraların iyileştirilmesinde, yara bantlarında, yara örtülerinde, gıda ambalajı olarak ve pek çok alanda antimikrobiyal yüzey olarak kullanılabilirliği yaptığımız çalışma ile desteklenmektedir.

Anahtar kelimeler: Levan, biyopolimer, film, antimikrobiyal peptid, LL-37, antimikrobiyal, yara bandı

Abstract:
Levan is a homopolymer of fructose naturally obtained from both plants and microorganisms. Along with the general properties of a biopolymer like bio-compatibility, bio-degradability, renewability, flexi-bility, and eco-friendliness, levan also offers some important biomedical properties such as anti-oxidant,anti-inflammatory, anti-carcinogenic, anti-AIDS and hyperglycaemic inhibitör. Due to its exceptionally high production costs, levan could never find its proper place in the polymer market, and therefore, high-level levan producing microbial systems gain escalating industrial importance.
Antimicrobial peptides and their precursor molecules form a central part of human and mammalian innate immunity. The hCAP18/LL37 is the only known human cathelicidin. In the skin, LL-37/mCRAMP is required to prevent invasive bacterial infections. Besides its an antimicrobial properties LL-37 plays a central role in innate immune responses and inflammation.
In this study, we isolated several soil microorganisms which where levan producers. Pseudomonas mandelii is the microorganism used for production of levan in this study. The biopolymer was analyzed with CNMR, HNMR, FTIR and the results comfirmed that the polymer was levan. The highest amount of levan was achieved by optimizing the incubation time, pH, temperature, sugar amount, nitrogen, carbon source of the produced polymer. After the optimization, the highest amount of levan produced by Pseudomonas mandelii was found to be 42.6 g/L. The conversion yield and effective yield were calculated as 37.8% and 27.7% respectively. Various film samples with different ingredients and levan were prepared, and glycerol was chosen as the plasticizer. Film samples were evaluated for water vapor permeability and thermogravimetric analysis (TGA). Antimicrobial properties were determined on different microorganisms by adding LL-37 antimicrobial peptides in varying amounts to the film samples. The antimicrobial effect of antibiotics used in wound treatment and the antimicrobial effect of film compositions were evaluated comparatively. It was determined that LL-37 biopolymer films had an antimicrobial effect on E. coli, S. aureus, Candida albicans and Aspergillus niger. The antimicrobial effect of the film specimens, especially on Candida albicans, was higher than all the antibiotics tested. 
This biodegradable polymer film is supported by the work we have done in the treatment of medical field wounds, as bandages, wound dressings, food packaging and as an antimicrobial surface for many fields.

Keywords: Levan, biopolymer, film, antimicrobial peptide, LL-37, antimicrobial, plaster, bandages