Metal organik kafes yapılarının diol içeren biyomolekül tayini ve izolasyonu için kullanılabilirliğinin incelenmesi
Investigation of the usability of metal organic frameworks structures for detection and isolation of diol containing biomolecule
Yazar: SEHER PARLAK
Danışman: DOÇ. DR. FATOŞ ÇİĞDEM KİP
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Metal-organik kafeslerin (MOF' ların), yüksek yüzey alanı ve modifikasyon kolaylığı gibi çok yönlü özellikleri nedeniyle proteomik uygulamalarında kullanımları, malzeme bilimi araştırmalarına önemli katkı sağlamaktadır. Afinite sorbentleri olarak, geleneksel olarak kullanılan malzemelerden daha yüksek seçicilik, hassasiyet ve tekrarlanabilirlik özelliklerine sahip oldukları için glikoproteinler, sakkaritler ve nükleosidler gibi diol içeren biyomoleküllerin zenginleştirilmesi amacıyla kullanılmaktadır. Diol içeren biyomoleküllerin seviyeleri insanların fizyolojik durumunu yansıttığı ve bu nedenle hastalık teşhisinde önemli olduğu için bu biyomoleküller, fizyolojik farmakoloji alanında yapılan çalışmalarda aktif bir rol oynamaktadır. Bu nedenle diol içeren moleküller için yüksek adsorpsiyon kapasitesine sahip bir sorbentin tasarlanması ve geliştirilmesi büyük önem taşımaktadır. Bu çalışmada, 4-formilfenilborik asit (FPBA) ile fonksiyonelleştirilmiş zirkonyum aminobenzendikarboksilat bazlı MOF (UiO-66-NH2) malzeme, yeni bir boronat afinite materyali (FPBA-UiO-66-NH2) olarak uygun pH (pH=8.5) 'ta biyomoleküllerin seçici olarak zenginleştirilmesi ve elüsyonu için kullanılmıştır. Boronik asit ve diol grubu arasındaki afinite sonucu biyomolekül olarak seçilen β-NAD için 80 mg/g'lik yüksek bir adsorpsiyon kapasitesine yüksek seçicilik ve kullanılabilirlik ile ulaşılmıştır. Adsorbe edilen β-NAD, kantitatif desorpsiyon oranı ile nötr pH tampon ortamında kolayca izole edilmiştir.
Son birkaç yılda özellikle kolorimetrik biyoalgılama, biyolojik bilimlerde ve analitik kimyada yoğun ilgi görmektedir. Bu yöntem basitlik, hızlılık ve düşük maliyet avantajlarına sahip olmasının yanında herhangi bir karmaşık enstrümantasyona gerek duymamaktadır. Kontrol edilebilir hazırlama yöntemlerinin oluşu, değiştirilebilir yapıları, ayarlanabilir aktiviteleri ve yüksek stabiliteleri sayesinde MOF'lar mükemmel peroksidaz taklitleridir. Son yıllarda, MOF' ların biyoalgılama uygulanmalarına ilişkin çalışmalar hız kazanmıştır. Tez kapsamında, diol içeren biyomolekülün kolorimetrik tespiti için geliştirilen MOF bazlı nanozim yüksek peroksidaz katalitik aktivite sergilemiştir. Sentezlenen malzeme, renksiz o-fenilen diaminin (OPDA) sarı ürün olan oxOPDA' ya oksidasyonunu katalize etmiş ve bu değişim 416 nm'de adsorpsiyon değerinde belirgin bir değişikliğe yol açmıştır. Bu yöntem, tampon çözeltisi içerisindeki β-NAD'ın seçici tayini ve miktarının belirlenmesi için uygulanmıştır. Optimum koşullarda elde edilen kalibrasyon grafiğinin 0-0.75 mM aralığında doğrusal olduğu görülmüştür. Yöntemin tayin sınırı (LOD) 0.033 mM (S/N=10 alınarak) olarak hesaplanmıştır. Tüm sonuçlar, geliştirilen boronik asit grubu ile fonksiyonelleştirilmiş MOF malzemesinin diol içeren biyomoleküllerin izolasyonu ve tayini için umut verici bir malzeme olduğunu göstermektedir.

Abstract:
The use of metal-organic frameworks (MOFs) in proteomics applications makes a significant contribution to materials science research due to their versatile properties such as high surface area and ease of modification. Since they have higher selectivity, sensitivity and reproducibility than traditionally used materials, they are used as affinity sorbents to enrich diol-containing biomolecules such as glycoproteins, saccharides and nucleosides. Since the levels of diol containing biomolecules reflect the physiological state of humans and are therefore important in disease diagnosis, these biomolecules play an active role in physiological pharmacology studies. Therefore, it is of great importance to design and develop sorbents with high adsorption capacity for diol containing biomolecules. In this study, zirconium aminobenzenedicarboxylate-based MOF (UiO-66-NH2) material functionalized with 4-formylphenylboric acid (FPBA) as a new boronate affinity material (FPBA-UiO-66-NH2) for selective enrichment and elution of biomolecules at appropriate pH (pH=8). As a result of the affinity between boronic acid and diol, a high adsorption capacity of 80 mg/g was achieved for β-NAD, which was selected as the biomolecules with high selectivity and reusability. The adsorbed β-NAD was easily isolated in neutral pH buffer medium with quantitative desorption rate.
In the last few years, colorimetric biosensing has attracted considerable attention in biological sciences and analytical chemistry. This method has the advantages of speed, low-cost equipment, simplicity, low cost and does not require any complex instrumentation. MOFs are excellent peroxidase-like mimics thanks to their controllable preparation methods, tunable structures and activities and high stability. In recent years, studies on biosensing applications of MOFs have gained momentum. Within the scope of the thesis, the MOF-based nanozyme developed for the colorimetric detection of diol containing biomolecule exhibited high peroxidase catalytic activity. The synthesized material catalyzed the oxidation of colorless o-phenylene diamine (OPDA) to the yellow product (referred to as oxOPDA), and this change led to a significant change in the adsorption value at 416 nm. This method was applied for the selective determination and quantification of β-NAD in buffer solution. It was observed that the calibration graph obtained under optimum conditions was linear in the range of 0-0.75 mM. The limit of detection (LOD) of the method was calculated as 0.033 mM (taking S/N=10). All results show that the developed boronic acid group-functionalized MOF material is a promising material for the isolation and determination of diol containing biomolecules.