Nanoteknoloji de Enzim Uygulamaları

NANOTEKNOLOJİDE ENZİM

UYGULAMALARI

22.10.2014

Halil Rıza AVCIGıda Yüksek Mühendisi

Gıda ve Yem Kontrol Merkez Araştırma Enstitüsü

2

Sunu İçeriği

Eğitim hakkında Vancouver hakkında genel bilgiUBC Hakkında genel bilgiDanışman ve proje yürütücüsü hakkında bilgiNanoteknoloji neyi ifade eder? Nanoteknolojinin gıdalarda kullanımıNanoteknoloji ve Sağlık İlişkisiNanoteknolojide enzim uygulamalarıEnzimlerde immobilizasyonÇalışmanın içeriği

3

EĞİTİM HAKKINDA BİLGİLER

The Universty of British Columbia,

Faculty of Land and Food Systems,

The Department of Food, Nutrition

and Health (FNH) Vancouver Campus,

Vancouver-BC-CANADA

22.12.2013-22.03.2014 (3 ay)

4

EĞİTİM HAKKINDA BİLGİLER

Danışman: Doç. Dr. Christine SCAMAN(Food Chemist)

UZMANLIK ALANLARIProteinlerin yapısal ve fonksiyonel ilişkileriEnzim mekanizmasıProteinlerin biyolojik özellikleri

Proje yürütücüsü: Venkatrao KONASANİ-Hindistan-Doktora öğrencisi-Biomedikal Mühendisi

VANCOUVER HAKKINDA

6

VANCOUVER HAKKINDA

British Colombia eyaletinin en büyük, Kanada’nın 3. büyük şehri.

2004 yılında, Conde Nast Traveller tarafından Amerika kıtasının en güzel şehri seçilmiştir.

Vancouver ayrıca Hollywood ve New York'tan sonraKuzey Amerika'daki üçüncü film üretim merkezidir.

2010 da ise Kış Olimpiyatlarına ev sahipliği yapmasıylabütün dünyada adını duyurmuştur.

Pasifik Okyanusu’na kıyı olması ile Kanada açısından oldukça önemli bir stratejik konuma sahiptir.

7

VANCOUVER HAKKINDA

İklim bakımından Kanada’nın en ılıman iklimine sahiptir.Kanada’nın etnik ve dilsel açıdan en çeşitli şehridir. Nüfusunun %52’si İngilizce dışında bir anadil konuşmaktadır.

Şehir nüfusunun %35’i Kanada dışında doğmuştur ve bu özelliğiyle çokkültürlülük açısından dünyanın ilk on şehri arasındadır.

Vancouver New York’dan sonra Kuzey Amerika’nın 2. en büyükLimanına sahiptir.

8

VANCOUVER HAKKINDA

Dünyanın en büyük çevre örgütü Greenpeace’in doğduğu şehirdir (1971).

9

Proje Bilgileri

10

VANCOUVER HAKKINDA

UBC

HAKKINDA

12

UBC HAKKINDA

1915 yılında kurulmuş olup küresel ölçekte kendini kanıtlamış, 2013 yılında 8.158 projeye 519 milyon dolar bütçe ayırmış olan bir üniversitedir. .

Her sene çeşitli derecelendirme kuruluşlarının yayımladığı dünyanın en iyi üniversitelerini sıralayan Top 50 listesine giren 3 Kanada üniversitesindenbiridir.

Vancouver kampüsünde 49.896 ve Okanagan kampüsünde 8.388 olmak üzere toplam 58.284 öğreciye sahiptir.

13

UBC HAKKINDA

UBC araştırmacıları bugüne kadar 7 Nobel Ödülü kazanmışlardır.

Mezunları arasından 2 Kanada Başbakanı çıkmıştır.

149 ülkeden 10.181 uluslar arası öğrenci öğretim görmektedir.

Kanada ekonomisine yıllık 12,7 milyar CAD etki gerçekleştirmektedir..

Üniversite araştırmalarına bağlı olarak iş hayatına 158 üretim ya da AR-GE firması kazandırılmıştır.

14

Proje Özeti

15

Proje ile Elde Edilmek İstenilen Çıktılar ve Kullanım Alanları

16

Proje ile Elde Edilmek İstenilen Çıktılar ve Kullanım Alanları

NANOÖLÇEK NEYİ İFADE EDER?

18

NANOÖLÇEK NEYİ İFADE EDER?

22 cm

0.7nm

0,22 m1.27 × 107 m

Fullerenes C60

100 milyon

kat daha

küçük

1 milyar

kat daha

küçük

NANOTEKNOLOJİ NEDİR?

20


Nano kelimesi, Yunanca "nannos"kelimesinden gelir ve "küçük yaşlı adam veya cüce" demektir. Günümüzde nano, teknik bir ölçü birimi olarak kullanılır ve herhangi bir birimin milyarda biri anlamını taşır. Genellikle metre ile birlikte kullanılır. Nanometre, 1 metrenin milyarda biri ölçüsünde bir uzunluğu temsil eder (yaklaşık olarak ardarda dizilmiş 5 ila 10 atom).

21


Nanoteknoloji, en genel tanımıyla,istisnai şekilde küçük (yaklaşık atomboyutlarında) yapıların bilimsel /ticari bir amaca hizmet edebilecekşekilde düzenlenmesidir. Başka birdeyişle maddeler üzerinde 100nanometre ölçeğinden küçükboyutlarda gerçekleştirilen işleme,ölçüm, modelleme ve düzenleme gibiçalışmalar nano-teknoloji çalışmalarıolarak nitelenir.

22


AtomAtom

DNAProtein

VirüsHücrePartiküler kıyaslama

yapacak olursak görürüz ki:

1 A 1 nm10 nm 100 nm 10 μm1 μm

23


•Nanoteknoloji multidisipliner birbilimdalı olup daha şimdidenneredeyse bütün sektörlerde önemigittikçe artan bir Ar-Ge konusu halinegelmiştir.

•Böylelikle yakın gelecekte daha iyiyapılmış, daha uzun süre dayanan,daha temiz, güvenli ve akıllıürünleri iletişim, tıp, ulaşım, gıda,tarım, bilişim gibi sanayinin heralanında kullanmak mümkün halegelebilecektir.

24


•Nanoteknoloji yeni gıdaların ve

ambalajlama tekniklerinin geliştirilmesi

konusunda büyük fırsatlar sunmaktadır.

•Nanoteknoloji ve nanomateryaller aslında

gıda işleme ve üretim tekniklerinin doğal

parçasıdır çünkü pek çok gıdanın

karakteristik özelliği nanoölçekteki

komponentlere bağlıdır (nanoemülsiyonlar

ya da köpük gibi) .

25


Son teknolojik gelişmeler gıdalarda kullanılacak nanopartiküllerin üretimi konusunda ümit verici görünmektedir.

Gıda sektöründe nanoteknoloji uygulamaları dünya çapında artış göstermektedir ve yakın gelecekte bu artışın sürmesi beklenmektedir. Söz gelimi bakterilere tutunup onları bertaraf eden nanokarbonhidrat partiküllerinin kullanımı pek çok gıda üreticisi dev firmanın ar-ge laboratuvarlarında gündem maddesidir.

26


Nanoölçekte üretilen materyaller bir boyutlu (çok ince kaplamalar gibi), iki boyutlu (nanokablolar) ya da üç boyutlu (toz nanopartiküller) olabilirler.

Nanoteknoloji yeni bir alan değildir. Dünyada nanoölçektepolimer üretimi yıllardır yapılmaktadır.

SEM-Scanning Electron Microscope

27

NANOTEKNOLOJİ ve TÜRKİYE

Türkiye de nanoteknolojiyi üretir hale gelebilmek için bazı adımlar atmaya başlamıştır. Tübitak'ın 2023 Vizyon Programı'nda nanoteknoloji yer almış ve yol haritası oluşturulmuştur. En önemli gelişme Bilkent Üniversitesi'nde Ulusal Nanoteknoloji Araştırma Merkezi'nin (UNAM) kurulmasıdır. Bu merkezin amacı Türkiye'de nanoteknolojinin araştırma merkezi olmaktır.

http://tr.wikipedia.org/wiki/Ulusal_Nanoteknoloji_Ara%C5%9Ft%C4%B1rma_Merkezi

NANOTEKNOLOJİNİN GIDALARDA KULLANIMI

29

NANOTEKNOLOJİNİN GIDALARDA KULLANIMI

Gıdaların yapısı, yayılma ya da sürülebilme özellikleri, stabiliteleri nanoölöekteki kristallerin kullanılmasıyla değiştirilebilmektedir. Günümüzde enerji içeriği düşük gıdaların üretimi nanoteknolojiyle hayal olmaktan çıkmıştır.

Diğer taraftan gıdaların aromatik yapıları bitterblockers denilen acılık giderici nanoajanlarla değiştirilebilmektedir.

Oksijene duyarlı gıdaların tazeliğinin korunması da nanoölçekte geliştirilen bazı bakteriyel ajanlarla sağlanabilmektedir.

30

Materyal ve Metot

Gıda ve Tarım Sektöründe Nanoteknoloji Uygulamaları

Ana üretim Proses Gıda takviyeleri

Gıda güvenliğiAmbalajlama

31

GIDALARDA NANOTEKNOLOJİ

Faydalar Riskler

Ürün verimliliğinde artış

Raf ömründe artış

Iskartalarda azalma

Daha düşük maliyet

Satış ve dağıtımdaki kolaylılar

Daha güvenli gıda üretimi

Daha sağlıklı gıda üretimi

Müşteri beklentileri

Medya algıları

Toplum sağlığına etkiler

Uzman yetersizliği

Çevresel etkiler

Uzun vadede belirsizlikler

Değişime karşı direnç

GIDALARDA NANOTEKNOLOJİGIDALARDA NANOTEKNOLOJİ

32

GIDALARDA KULLANILAN NANOPARTİKÜLLER

No

Nanopartikül

TipiUygulama Alanı İşlev

1Metal

nanopartiküllerGıda ambalajlama ve depolama

Koruyucu özelliği artırma

2Kompleks nanoölçekli yapılar

Nanosensör üretimi (ambalajlama); Taşınabilir cihazlar

Gıda bozulumunun saptanması

Depolama koşullarının izlenmesi

3Nanoporlu

filtreler

Ambalajdan dış atmosfere migrasyon; Su

saflaştırılması

Eşit hacimli emülsiyonlar

Aerobik patojenleri eliminasyonu;

Patojenlerin ve kontaminantların

uzaklaştırılması; Tekstür ve

aromatik iyileştirme

33

GIDALARDA KULLANILAN NANOPARTİKÜLLER

NoNanopartikül

TipiUygulama Alanı İşlev

4

.

Nanoölçekteki

besin

bileşenleri

Gıda katkı maddeleri üretimi

Günlük alım miktarını

artırmak

5

Taşıma

sistemleri

(nanoenkapsü

lasyon)

Gıda katkı maddeleri üretimi

Ürünün korunması,

hedeflenen bölgeye taşınım

NANOTEKNOLOJİ ve

SAĞLIK

35

NANOTEKNOLOJİ ve SAĞLIK

Nanoteknolojiyle kokusuz, yağsız, daha azkalorili, daha uzun ömürlü ürünler üretilmeimkanı ortaya çıkmış olmakla birliktedünyanın hiçbir ülkesinde nanogıdalar yasalçerçeveye oturtulmamıştır.

Araştırmalar, 100 nm’nin altında modellenen nanoyapıların büyük hacimli eşlenikleriyle aynı özellikleri göstermediğini ortaya koymuştur.

2006 yılında Rochester Üniversitesi Toksikoloji Bölümünde yapılan bir araştırmayla karbonun fullerin izotopunu solumanın Parkinson hastalığına sebep olduğu rapor edilmiştir.

36


Nanopartiküller ve sağlık ilişkisi yeni bir konu olup hakkında az sayıda araştırma yapılmış olduğundan kesin olarak aydınlatılabilmiş değildir.

Nanopartiküllerin sağlık üzerine etkileri 3 farklı kapsamda olabilmektedir:

I. Boyut: Nanopartiküller çok küçük boyutlu olmaları nedeniyle orijinal boyuttaki eşlenikleriyle kıyaslandıklarında daha fazla yüzey alanı kaplarlar. Bu, daha fazla molekülün yüzey alanında bulunması anlamına gelmektedir ki bazı bilim insanlarına göre bu durum nanopartiküllerin toksik etkisinin en önemli sebebidir.

II. Kimyasal Kompozisyon ve Yüzey KarakteristikleriIII. Şekil

37


2008 yılında Nature dergisindeyayımlanan bir makaledeysekarbon nanotüplerinin asbest ileaynı yapıda olduğu ve dolayısıylaaynı derecede kanserojenözelliklere sahip olduğubildirilmiştir.

NANOTEKNOLOJİDE ENZİM

UYGULAMALARI

39

NANOTEKNOLOJİDE ENZİM UYGULAMALARI

Enzimler çevreye zarar vermeden toprakta çözünebilme, yüksek seçiciliklere sahip olma ve saf ürünler elde edebilme gibi avantajlara sahip olduklarından tıp,tekstil, tarım, kimya ve eczacılık gibi alanlarda kullanımı günden güne artmaktadır. Endüstriyel işlemlerde kullanılan enzimler genellikle yüksek sıcaklık, basınç, ph gibi zor koşullara maruz kaldıklarından dolayı kararlılıkları ve aktiviteleri düşmektedir. Bu da kullanım alanında kısıtlamalara neden olmaktadır. Bu kısıtlamaların önüne geçmek ve kullanım alanını genişletmek için nanoteknoloji, protein mühendisliği gibi alanlardan faydalanılmaktadır.

40


Protein mühendisliği protein kararlılığını ve enzim aktivitesini arttırmak, sıcaklığa ve ph’ a daha dayanıklı hale getirmek, kofaktörlerini değiştirmek veya kofaktör ihtiyacını ortadan kaldırmak, fiziksel ve katalitik olarak daha işlevsel proteinler üretmek; bunların yanı sıra enzim özgünlüğünü değiştirmek için kullanılabilir.

Biyokimya, Moleküler Biyoloji, Fizik, Kimya ve Kimya Mühendisliği, Gıda Mühendisliği gibi bilim dallarının işbirliği gerektirir.

Enzimler kimyasal reaksiyonları katalize eden proteinlerdir. Diğer organik ve inorganik katalistlerin aksine enzimler son derece kırılgan yapılardır. Kararsızlık ve işleme koşullarına duyarlılık çözülebilir enzimleri teknolojik olarak elverişsiz kılmaktadır. Bu nedenle enzimlerin bağlı (immobilize) halde kullanılması son yıllarda özellikle gıda, beslenme ve ilaç sektörlerinde gittikçe önem kazanmaktadır.

41


Enzimleri bağlı biçimde kullanmanın çeşitli sebepleri vardır: Daha uygun taşıma ve muhafaza olanakları sağlamasının yanı sıra enzimin son üründen daha kolay ayrılmasını da sağlamaktadır. Öte yandan enzim+substrat kompleksine diğer bileşenlerin bulaşmasını da engelleyerek saflaştırma masraflarının düşmesini sağlamaktadır.

Bağlama (immobilizasyon) ayrıca pahalı enzimlerin geri kazanımını ve yeniden kullanımını da kolaylaştırarak ekonomik bir getiri de sağlamaktadır.

42


İMMOBİLİZASYON

Artan stabiliteArtan aktiviteUzun ömürlü kullanım

İmmobilizaston (tutuklanma)’nın sağladığı avantajlar şu şekilde özetlenebilir:

Enzimler tekrar tekrar kullanılırlar. Özellikle üretimi zor ve pahalı enzimler için bu önemlidir.

Ürün enzimle kontamine olmaz, çünkü enzim matrikste tutulur.

Matriks enzimi fiziksel bir bariyer olarak koruduğundan, enzim ekstrem pH ve sıcaklık gibi etkilere dayanıklı hale gelir.

Sürekli fermentasyonlar için enzimi daha kullanışlı hale getirir.

İmmobilize enzimler çok daha doğru bir şekilde kontrol edilirler.

43

İMMOBİLİZASYON YÖNTEMLERİ

FİZİKSEL METODLAR KİMYASAL METODLAR

ADSORBSİYON KOVALENT BAĞLAMA

YAKALAMA (ENTRAPPING)ÇAPRAZ BAĞLAMA (CROSS

LINKING)

MEMBRANA HAPSETME ÇELATLAŞMA (CHELATING))

ÇALIŞMANIN İÇERİĞİ

45


UBC Gıda Beslenme ve Sağlık Bölümü’ndeki 3 aylık çalışmamda “İnklüzyon Cisimcikleri”nin saflaştırılması konusunda çalışmalara katıldım.

İnklüzyon Cisimciği Nedir?

İnküzyon Cisimciği, virüs ile enfekte hücrelerin sitoplazmasında veya çekirdeğinde oluşan ve değişik boyama teknikleri ile ışık mikroskobunda tespit edilebilen asidofilik veya bazofilik yapılardır.

Diğer bir tanıma göre inklüzyon cisimcikleri hücre nukleusunda ya da sitoplazmada yer alan ve lekelenme özelliği gösteren, çiçek ya da kuduz gibi çeşitli virüslerle bağlantısı olan anormal yapılardır.

İnklüzyon Cisimcikleri tek başlarına nanopartiküller olarak tanımlanmalarına rağmen çözündürme işlemi sonrasında çeşitli nanoteknolojik uygulamalar kullanılarak içeriğindeki α –amilaz-1 enzimi saflaştırılabilmektedir.

46


Bakteriyel IB’ler bakteri sitoplazmasında ve Periplazmasında, rekombinant proteinlerin aşırı sentezlenmesi sırasında oluşan ve suda çözünmeyen protein kümeleridir.

Özellikle viral ya da memeli orijinlidirler. Çapları 50 nm-500 nm aralığındadır.

Bu nanopartiküller saf, yapısal olarak organize, mekanik olarak kararlı biyouyumluprotein çökeltileridir.

47


İnklüzyon cisimcikleri elde edilmesi amacıyla yapılan çalışmada ticari olarak piyasada bulunan Rekombinant E. coli kullanılmıştır.

İnklüzyon cisimcikleri içeriğindeki enzimlerin saflaştırılması ve akabinde çözündürülerek yeniden aktifleştirilmesi çalışmanın birinci aşamasını oluşturmakadır. Bu işlem, karmaşık bir dizi prosesi kapsamaktadır. Saflaştırılan ve çözündürülen enzimler aşağıda listelenen çeşitli nanoteknolojik yöntemlerle immobilize edilebilmektedir:

I. Kitozan ile İyonotrafik Jelasyon Metodu. (Bu metod nanoenkapsülasyon olarak tanımlanmaktadır.)

II. Çapraz Bağlı Enzim Agregasyon Metodu (Cross-Linked Enzyme Aggregates(CLEAs)

III. Yüksek Yoğunluklu Sonikasyon

Dondurma (-80 C)

Çözünmeyen kısım

Lisis

Deterjan yıkama

Sonikasyon

DNAse ile muamele

Santrifüjleme

SüpernatantIB pelet

Deterjan yıkamaSantrifüjSaf IB

Çözünen kısıım

Lisis tamponunda yeniden çözündürme

50 mM TrisHCl pH 8 ,1100 mM NaCl1 Mm EDTA

100 μL 100 mM PMSF1 mg/Ml lisosim enzimi; 2 saat 37 °C inkübasyon

100 μL Triton çözeltisi ekleme

10 dk %40 şiddet

5 μL NP-40 ekleme

15 μL 1 mg/mL DNaz enzimi15 μL 1 M MgfSO4 çözeltisi

37 °C 45 dk inkübasyon

4 °C 15 dk ve 15000 xg

1 mL Lisiz + %0,5 Triton x-100 çözeltisinde seyreltme15000 xg 15 dk, 4 °C

{

Bakteri sayımı}

İNKLÜZYON CİSİMCİĞİ (IB) SAFLAŞTIRMA PROTOKOLÜ

LB agar’a 100 μL ekim, 37 °C 24 saat inkübasyonAkabinde canlı hücre sayımı Deterjan yıkama

Santrifüj (5000 xg 5 dk, 4 °C)

IB içeren uyarılmış Rekombinant E. coli

TEŞEKKÜRLER

www.gsb.gov.tr

[email protected]

www.bursagida.gov.tr

http://www.turkomp.gov.tr

ZİYARET EDİLEN KURUMLAR

51


(http://www.mina.ubc.ca)

Ziyaret Rehberleri: Doç. Dr. Boris STOEBER Yrd. Doç. Dr. Edmond CRETU

Canada Research Chair in Microfluidics and Sensing Technology Department of Mechanical Engineering and Department of Electrical & Computer Engineering The University of British Columbia Vancouver, Canada

http://www.mina.ubc.ca/

52


İLGİLENDİKLERİ KONULAR

Microakışkanlkar

Algılama teknolojileri

Materyal & Mikroüretim

Micro-optik

SONUÇ ve

KATKILAR

54

SONUÇ ve KATKILAR

Saflaştırılan IB içeriğindeki enzimler her biri ayrı bir tez konusuolabilecek çeşitli nanoteknolojik yöntemlerle immobilize edilebilmektedir.

Birbirinden çok farklı görünen “nanoteknoloji” ve “enzimoloji” bilim dallarının ilgi alanına giren “Nanoteknolojide Enzim Uygulamaları” çalışmasıylaözellikle ilaç ve gıda sanayilerinin gereksinim duyduğuyeni enzimler geliştirilebilineceği konusunda farkındalıkkazanılmıştır.

Ülkemizde pek tanınmayan ancak batıda oldukçapopüler olan Biyomedikal Mühendisliği, Protein Mühendisliği gibi yeni alanlarda uzman yetiştirilmesinin ilgili sektörlerde ciddi istihdam artışına ve katma değeri yüksek ürünler üretilmesine zemin hazırlaması kaçınılmazdır.

55

SONUÇ ve KATKILAR

Bu eğitimi alma fırsatını bana sunarak mesleki ve kişiselgelişimimde önemli bir adım atmama imkan sağlayan T.C.Gıda Tarım ve Hayvancılık Bakanlığı’mıza minnet veşükranlarımı sunarım.

H. Rıza [email protected]

Documents

Nanoteknoloji de Enzim Uygulamaları