Polihidroksialkanoatların genetiği değiştirilmiş bakterilerde üretimi, karakterizasyonu ve matematiksel modellenmesi
Tezin Türü: Doktora
Tezin Yürütüldüğü Kurum: Hacettepe Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Kimya Mühendisliği A.B.D., Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2021
Tezin Dili: Türkçe
Öğrenci: MURAT AKDOĞAN
Danışman: Eda Çelik Akdur
Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu
Özet:Fosil yakıt türevli plastikler, doğada parçalanmalarının uzun sürmesi, ayrıca içerdikleri kanserojen bileşenler nedeniyle, insan ve çevre üzerinde ciddi sağlık sorunları oluşturmaktadır. Fosil yakıt rezervlerinin tükenmeye başlamasıyla birlikte bu tür plastiklerin yerini alabilecek alternatif malzemelerden birisi de biyoparçalanabilirlik ve biyouyumluluk gibi avantajları nedeniyle polihidroksialkanoatlar (PHA)'dır. Polihidroksialkanoatlar (PHA), çeşitli mikroorganizmalarda, fosfor, azot ve oksijen gibi belirli bileşenler yönünden zayıf, fakat karbon açısından zengin bir besi yerinde, hücre içi enerji ve karbon rezervi olarak sentezlenen polyesterlerdir. Tez kapsamında, Bacillus megaterium mikroorganizması kullanılarak bakteriyel yolla biyopolimer üretimi ve biyopolimer üretiminde etkili biyoproses tasarım parametrelerinin incelenmesiyle, Bacillus megaterium NRRL B-14308 suşundan PHA'nın yüksek verimlilikte üretimi amaçlanmıştır. Ayrıca, B. megaterium'un genomunda PHA sentezinden sorumlu phaC geni bir ekspresyon vektörüne klonlanarak, PHA-sentaz enziminin (PhaC) üretiminin arttırılması ve bu sayede PHA üretiminin arttırılması hedeflenmiştir. Elde edilen rekombinant suşlar ile laboratuvar ölçekli biyoreaktörde PHA üretiminin optimizasyonu, genomik ölçekte metabolik modellemesi, üretilen biyopolimerlerin saflaştırılması ve karakterizasyonu çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Çözücü ekstraksiyonu ile saflaştırılan PHA biyopolimerlerinin yapısal ve termal özellikleri Fourier Transform Infrared Spektroskopisi (FTIR), Nükleer Manyetik Rezonans Spektroskopisi (NMR), Gaz Kromatografisi (GC-FID), Gaz Kromatografisi-Kütle Spektroskopisi (GC-MS), Termogravimetrik Analiz (TGA) ve Diferansiyel Taramalı Kalorimetre (DSC) analizleri ile karakterize edilmiştir. Karakterizasyon çalışmaları sonucunda elde edilen PHA biyopolimerlerinin kopolimer (PHB-co-PHV) yapısında olduğu ve 3-hidroksibütirat (3HB) ve 3-hidroksivalerat (3HV) monomer birimlerinden meydana geldiği belirlenmiştir. PHA üretim verimini arttırmak için kontrollü biyoreaktörde yarı kesikli besleme çalışmaları, önceden belirlenmiş 3 farklı üstel besleme hızında (µ=0,05; µ=0,075 ve µ=0,1 sa-1) gerçekleştirilmiştir. Buna göre, rekombinant B. megaterium hücrelerinden µ=0,1 sa-1 besleme hızında en yüksek hücre derişimine (7,7 g/L) ve PHA derişimine (6,15 g/L) ulaşılmış; üstel yarı kesikli besleme stratejisi ile kesikli sisteme göre 2,2 kat daha fazla PHA üretilmiştir. Ayrıca, B. megaterium için literatürde yer alan güncel iJA1121 modeline 7 gen, 6 metabolit ve 7 reaksiyon eklenerek genomik ölçekte yeni bir metabolik model (iBM1128) oluşturulmuş ve model akı denge analizi (FBA) yöntemi ile çözülmüştür. Sonuç olarak, bu tez çalışmasında, tanımlanmış ortamda ve herhangi bir öncül metabolit ilave etmeksizin, Bacillus suşlarında yüzde mol bazında en yüksek 3HV monomer içeriğine sahip (%58 3HV) PHB-co-PHV kopolimerleri üretilmiştir. Ayrıca bu çalışma, yüksek ürün verimine sahip (YP/X = 0,74 g g-1) B. megaterium NRRL B-14308 suşunda daha da gelişmiş bir biyopolimer üretim sürecine giden yolu açmıştır. Anahtar Kelimeler: Biyopolimer, polihidroksialkanoat, rekombinant B. megaterium, biyoproses, karakterizasyon, metabolik modelleme