Biyoteknoloji Uygulamaları İçin Biyomoleküller Kullanılarak İletken Peptit Ve Protein Nanoyapılarının Oluşturulması

TÜBİTAK Projesi, 1002 - Hızlı Destek Programı, 2014 - 2015

Proje Türü: TÜBİTAK Projesi
Destek Programı: 1002 - Hızlı Destek Programı
Başlama Tarihi: Aralık 2014
Bitiş Tarihi: Aralık 2015

Proje Özeti

Bu projenin amacı, aromatik amino asitler olarak bilinen triptofan, fenilalanin, tirozin ve histidin aminaositlerinin sahip oldukları halkalı yapılar kullanılarak yük transferi yapabilen protein ve peptit fiber yapılarının oluşturulmasıdır. Bu yapılar oluşturularak yük taşıma ve iletkenlik özellikleri incelenecek, elde edilen bilgiler ışığında biyosensör tasarımlarında, elekro-genetik sistem tasarımlarında kullanılmak üzere iletken peptit tasarımları yapılacaktır. Bu peptidlerin füzyon protein yapıları içerisine entegrasyonları sağlanması amaçlanmaktadır. Bu sayede, biyolojik moleküllere dayalı bir elektron akış sistemi sentetik olarak meydana getirilerek, metal-yarımetal malzemeler kullanılmadan protein nanoyapılarla iletken bir sistem oluşturulması amaçlanmaktadır. Protein mühendisliği yaklaşımı ile desteklenrcek olan çalışmada, kimyasal bir işleme gerek kalmadan genetik olarak iletken biyomoleküler arayüzeyler oluşturulmuş olacaktır.

Biyosensör uygulamalarında, yakıt hücresi uygulamalarında hücre-malzeme, protein-malzeme ara yüzeyleri sıkça kullanılmaktadır. Her bir sistem içerisinde iletkenlik, farklı uygulamalar sağlanabilmesi açısından önemlidir. Ancak proteinler ya da ara yüzeyde kullanılan peptitler kendi doğal hallerinde genellikle yüksek dielektrik sabitine sahiptirler ve bu da elektron transferini olumsuz yönde etkilemektedir. Ancak bu durumu ortadan kaldırmak amacı ile bazı yaklaşımlarla biyomolekül-elektrot ara yüzeyinde elektron akışının sağlanması mümkün olabilmektedir. Elektron ve yük akışının sağlanabilmesi amacı ile yapılan çalışmaların başında hücre/biyomolekül elektrot ara yüzeyinde metalize bir alan oluşturulması gelmektedir. Bu amaçla elektrot üzerinde kullanılan biyomoleküllerin metal nanoparçaçıklar eklenmesi ve metal tuzları ile zenginleştirilmesi ile metalize iletken yapıların oluşturulması mümkündür. Biyomoleküllerin kalıp olarak kullanılması ile nanotel oluşturulmasının sağlanması beraberinde bazı problemleri de getirmektedir. Her zaman aynı verimlilikle biyolojik moleküllerin metalize edilmesi mümkün olmamaktadır. Ayrıca, yaşayan hücre sistemlerinde, metalize bir ara yüzey oluşturmak hücrelerin ölümüne neden olmakta ya da metabolik faaliyetlerini olumsuz etkilemektedir. Genel olarak biyomoleküllerin nanotel üretimi amacıyla kalıp nanoyapılar olarak kullanılması mümkün olsa da bu durum kontrol edilebilirlik, yenilenebilirlik ve çok aşamalı kimyasal işlemlere gereksinim duyma gibi bazı sorunları da beraberinde getirmektedir. Bu açıdan bakıldığında biyomoleküllerin oluşturdukları biyo-nanotel yapılarının, diğer bir deyişle protein nanofiberlerinin elektriksel bakımdan iletken hale getirilmesi büyük bir esneklik sağlayacaktır. Bu sayede, nanofiber yapılarını oluşturan monomer peptidlerin, genetik olarak sentezlenmesinden sonra başkaca bir işleme gereksinim duymadan iletken bir nanofiber yapısı elde edilmiş olacaktır.

Bu çalışma kapsamında iletken peptit ve protein nanofiber yapılarının oluşturulması amacı ile iletken polimerlerden esinlenilmektedir. İletken polimerlerin yapısında var olan aromatik halkalı yapıların elektronların bir noktadan diğerine akmasına olanak ?electron hopping? adli bir mekanizma ile olanak verdikleri bilinmektedir. Benzer şekilde bu çalışma kapsamında oluşturulması planlanan peptit ve protein nanofiber yapılarında da aynı etkiyi iletkenlik sağlamak amacı ile kullanmak üzere, aromatik aminoasitlerin oluşturulacak peptit ve füzyon proteinlerin içerisine eklenmesi tasarlanmıştır. Bu amaçla öncelikle nanofiber oluşturabilecek peptit dizisi olarak iki farklı dizi seçilmiştir, bu dizilerden ilki elastin proteinin içerisinde yer alan bir diziye aittir, bu dizinin peptit nanofiber yapısı oluşturduğu bilinmektedir. İkinci peptit dizisi ise, Escherichia coli bakterisine ait olan bakteri biyofilmlerini oluşturan temel proteinlerden, CsgA proteini içerisinde yer alan bir peptit motifidir. Bu peptit motifinin CsgA proteinin oluşturduğu nanofiber yapısının oluşumundaki en aktif motif olduğu bilinmektedir. Bu iki peptit içerisine aromatik halkalı bir yapı eklemek amacı ile bilinen dört farklı aromatik aminoasit olan triptofan, tirozin, histidin ve fenilalanin aminoasitleri eklenecektir. Tasarlanacak peptitler kullanılarak, üzerinde aromatik halka yapılarının olduğu nanofiberler oluşturularak elektrotlar üzerinde iletkenlik testleri yapılacaktır.

Bu çalışma sonucunda, peptit molekülleri kullanılmak sureti ile farklı aromatik aminoasit kombinasyonlarından en iyi iletkenliğe sahip olan kombinasyon seçilecektir. Bu aminaoasit kombinasyonları çalışmanın sonraki aşamasında CsgA proteinine genetik olarak eklenmesi sureti ile bu proteinin oluşturduğu nanofiber yapısının iletken bir hale gelmesi hedeflenmektedir. CsgA proteinine iletken aminoasit kombinasyonun genetik olarak eklenmesi sonrasında, oluşturulan nanofiberler hem bakteri hücrelerinin dışında oluşturulacak ağ yapısı içerisinde yer alacaklar hem de saflaştırılarak iletken protein yapıları oluşturulmasını sağlayacaklardır. Bu çalışmadan elde edilecek bulgular sayesinde tamamen biyomoleküllerle iletkenliği sağlanmış olan bakteri protein nanofiber yapılarının oluşturulması ve iletken ara yüzey sayesinde yaşayan bakteri hücreleri içerisinde ve bakteri sitoplazmasında hücre dışına elektron transferi sağlayan bir sistem oluşturulması için öncül bir çalışma yapılmış olacaktır. Oluşturulacak bu sistem sayesinde, sentetik biyoloji çalışmalarında kullanılabilecek tamamen yenilikçi bir aygıt oluşturulmuş olacaktır.