Nanomalzemelerin Neden Oldukları Nanotoksisiteyi Belirlemek ve Takip Etmek için Sentetik Gen Devreleri ve Tüm Hücre Sensörlerinin Geliştirilmesi

TÜBİTAK - AB COST Projesi , 2014 - 2016

Proje Türü: TÜBİTAK - AB COST Projesi
Başlama Tarihi: Kasım 2014
Bitiş Tarihi: Eylül 2016

Proje Özeti

Escherichia coli bakterisi tarafından oluşturulmakta olan biyofilmlerin temel yapısında bulunan ve ?curli? olarak adlandirilan amiloid protein yapısındaki nanofiber yapılarının biyonanoteknoloji ve biyoteknoloji uygulamaları için düzenlenmesi ve geliştirilmesi bu projenin temel amacını oluşturmaktadır. Bu amaca ulaşılması için sentetik biyoloji yaklaşımları kullanılarak, senetetik biyofilm oluşturabilen bir gen devresi tasarlanması planlanmaktadır. Bu sayede biyokimyasal ve biyofiziksel özellikleri kontrol edilebilen bir nanofiber yapısının oluşturulması düşünülmektedir. Bu sayede, tüm özellikleri bir gen devresi üzerinden dikte edilebilen hiyerarşik bir nanoyapının oluşturulması da sağlanmış olacaktır. Bu nanoyapının istenildiği şekilde işlevsel hale getirilmesi içinde protein mühendisliği ve genetik mühendisliği yöntemleri kullanılacaktır. Bu sayede nanomalzeme sentezi için nanfiber şablonlar, iletken biyofilmler oluşturarak genetik uygulamalarda ve biyoteknoloji uygulamlarında kullanılabilmesi ve enzimlerin genetik olrak biyofilm yapısına entegre edilerek yeni nesil biyokatalizörler elde edilmesi amacıyla yeni bir yaklaşım ortaya konmaktadır. Bu yaklaşımın en can alıcı noktası ise, kolay modifiye edilebilir ve kendini yenileyebilir olmasıdır.

Sentetik biyoloji, biyolojik üretim sistemlerinin mühendislik prensipleri ile yeniden düzenlenmesini amaçlamaktadır. Son yıllarda bu konuda pek çok araştırma yapılmasına rağmen bu yaklaşımın bugüne kadar uygulanmadığı alanların başında biyomalzeme araştırmaları gelmektedir. Sunmakta olduğumuz proje kapsamında sentetik biyoloji kullanılarak, biyomalzeme üretimi, işlevselleştirilmesi ve biyoteknoloji uygulamaları için geliştirilmesi amacıyla biyofilmlerin kullanılması ele alınmaktadır. Bu çalışma, biyomalzeme-sentetik biyoloji alanında yapılan detaylı öncül bir çalışma olacaktır. Özellikle nanofiber yapılarının genetik olarak düzenlenmeleri ve istenidliği gibi şekillendirilebilmeleri anlamında dalında bir ilk niteliği taşımaktadır sunduğumuz bu çalışma. Tüm bu noktalarda çalışmamızı özgün kılmaktadır

Bakterilerin ürettikleri fonskiyonel amiloid proteinlerinin hücre dışında kendiliğinden örgütlenmeleri sonucunda meydana getirdikleri nanofiber yapılarını meydana getiren tüm sistem curli operonu olarak adlandırılmaktadır. Bu operon üzerinde csgDEFGBA genleri bulunmaktadır. Bu genlerden csgB csgA genleri amiloid nanofiber yapısının temel taşını oluşturmaktadırlar. Geri kalan csgEFG genleri ise üretilen CsgB, CsgA proteinlerinin bakteri hücresi dışına taşınmak sureti ile nanofiber oluşturmalarına yardımcı olmaktadırlar. csgD geni ise bir transkripsiyon faktörünü kodlamaktadır ve genetik regülasyonda yer almaktadır. Ancak oluşturmak istediğimiz sentetik biyofilm sisteminde tüm genetik regülasyon mekanizmasını kendimiz kurmak istediğimizden dolayı, sadece csgEFGBA genleri içeren iki fakrlı operon oluşturulacaktır. Bu operonlarında ilki csgBA, diğeri ise csgEFG operonu olacaktır. Her iki operonda hem indüklenebilir hem de sürekli açık halde olacak şekilde dizayn edilecektir. Oluşacak nanofiber yapısının en temel proteinleri olan CsgA ve CsgB proteinlerinin sentezlenme miktarlarını kontrol etmek sureti ile sonuçta oluşacak olan nanofiber yapısının fiziksel özelliklerini (genişlik, boy, yükselik) kontrol etmeyi hedeflemekteyiz. Bu şekilde bir kontrol sağlanabilmesi için genetik mantık devrelerini, riboregülatör sistemlerini ve genetik anahtarları kullanarak sentetik genetik bir regülasyon oluşturulması hedeflenmektedir. Nanofiber yapılarının üretimlerinin sentetik olarak meydana getirilmesinden sonra, protein mühendisliği yöntemleri ile bu yapıların istenilen amaç için kolayca şekillendirilebilmesi hedeflenmektedir. Bu amaçla üç farklı uygulama için curli nanofiberlerin işlevselleştirilmesi hedeflenmektedir. Bunlar, iletken nanofiber yapılarının oluşturulması (tamamen biyolojik moleküller kullanarak), nanomalzeme sentezi için nanofiber yapısına malzemelere özgül peptidlerin genetik olarak entegrasyonu ve son olarak da biyofilm yapısını biyokatalizöre çevirmek için nanofiber yapısına glukoz oksidaz enziminin eklenmesi.

Bu çalışma sonrasında sentetik olarak büyümesi kontrol edilebilen, biyokimyasal ve biyofiziksel özellikleri biyoteknoloji ve nanoteknoloji uygulamaları için kolayca modifiye edilebilen modüler bir sistem oluşturulması hedeflenmektedir. Bu sayede, yeni bir biyomalzeme olarak biyofilm yapıları ele alınmış olacaktır.

Sunduğumuz çalışmamızın alanında ilklerden olmasından dolayı elede edecegimiz sonuçların yüksek etki faktörlü dergilerde yayınlanmasını hedeflemekteyiz. Sentetik biyoloji yaklaşımlarının biyomalzeme konusundaki uygulamalara aktarılması konusunda varolan eksikliklerin doldurulmasında önemli bir katkı sağlaması hedeflenmektedir bu projeyle. Çalışma sonunda elde edilecek olan yapıların endüstriyel uygulamalar için geliştirilmesi ve sonraki projelere bir ilk adım olarak aktarılması hedeflenmektedir. Özellikle sentetik biyoloji yaklaşımın Türkiye?de çok fazla araştırmaya konu olmamasından ötürü bu çalışma bir ilk basamak olarak bu boşluğu da dolduracaktır.