| Tez Künye | Durumu | ||
| Genetically-tunable morphology and mechanical properties of bacterial functional amyloid nanofibers / Bakteriyel amiloid fonksiyonel nanofiberlerin genetik olarak ayarlanabilir morfoloji ve mekanik özellikleri Yazar:MOHAMMAD TAREK HAMED ABDELWAHAB Danışman: Assist. Prof. Dr. MEHMET ZEYYAD BAYKARA Yer Bilgisi: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi / Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı Konu:Biyoloji = Biology ; Genetik = Genetics ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering Dizin:Amiloid beta protein = Amyloid beta protein ; Biyofilm sistemleri = Biofilm systems ; Mikroskopi = Microscopy ; Spektroskopi = Spectroscopy | Onaylandı Yüksek Lisans İngilizce 2017 82 s. | ||
| Doğa tarafından kullanılan malzeme sistemlerinin yüksek derecede dinamik davranışı, onları sert çevre koşullarına karşı sürdürülebilirlik ve direnç gösteren yeni nesil biyomalzemeler olarak kullanmak adına gerçekleştirilen araştırma çabalarını ortaya çıkarmaktadır. Son yıllarda fonksiyonel protein temelli yapılar yoğun olarak araştırılmaya başlanmıştır. Bunlar arasında, bakteriyel biyofilmler; hücreler, çeşitli karbonhidratlar ve hücre dışı proteinler içeren iyi derecede organize edilmiş, hiyerarşik, dinamik materyal sistemleri olarak ortaya çıkmaktadır. Bakteriyel biyofilmlerin; kimyasal, fiziksel ve biyolojik ajanlar tarafından yol açılabilecek çeşitli bozulmalara karşı dirençli oldukları bilinmektedir. Bu etkileyici nitelikler, bakteriyel biyofilmleri yeni nesil biyomalzemeler için potansiyel adaylar haline getirmektedir. Yukarıda belirtilen düşüncelerden yola çıkarak; bu M.S. tezinde, atomik kuvvet mikroskobu (AFM) ile gerçekleştirilen görüntüleme ve kuvvet spektroskopisi deneyleri vasıtasıyla, Escherichia coli (E. coli)’nin bakteriyel amiloid nanofiberlerinden oluşan biyofilm yapılarının morfolojik ve mekanik özellikleriyle ilgili (Young modülü açısından) kapsamlı bir araştırma sunuyoruz. Biyofilm nanofiber Young modüllerinin ve morfolojilerinin genetik yapıya dayanarak karşılaştırılmalarını sağlayan farklı E. Coli mutantlarının oluşturulması amacıyla genetik mühendisliğinden alınan teknikleri kullandık. Özellikle, biyofilm nanofiberlerinin birden fazla kontrollü versiyonuna sahip olmak adına, bakteriyel amiloid proteinleri oluşturan majör (CsgA) ve minör (CsgB) proteinlerin genetik ifadesini, belirli aminoasit etiketlerinin opsiyonel olarak eklenmesiyle ayarladık. Numuneler hazırlandıktan sonra, tüm deneyler boyunca kullanılacak olan tek bir AFM ucunu ölçülendirdik ve genetik olarak farklı biyofilm amiloid nanofiberleri arasındaki morfolojik farklılıkları derinlemesine incelemek adına temaslı kipte görüntüleme ölçümleri gerçekleştirdik. Buna ek olarak, kuvvet spektroskopisi eğrileri elde etmek adına nano-indentasyon deneyleri gerçekleştirdik. Elde edilen veriden mekanik rijitliği çıkarmak amacıyla, hassas bir işleme rutini geliştirdik. Ayrıca, nihai protein yapısının mekanik özelliklerinin genetik bağımlılığını ortaya çıkarmak için rijitlik değerlerini istatistiksel olarak karşılaştırdık. İşleme rutini, ayrıca, alt taşın mekanik rijitlik ölçümleri üzerindeki etkisini de tespit edebildi. Bu tezde sunulan deneysel sonuçlar, bakteriyel amiloid nanofiberlerin mekanik ve morfolojik özelliklerinin rasyonel olarak ayarlanmasında genetik mühendisliğinin kullanımının yolunu açmakta ve böylece yeni nesil biyomalzeme olarak oynayabilecekleri kritik rolü vurgulamaktadır. | |||
| The highly dynamic behavior of material systems exploited by nature results in research efforts to employ them as next generation biomaterials exhibiting sustainability and resistance against harsh environmental conditions. In recent years, functional protein-based structures started to be investigated heavily. Among these, bacterial biofilms present themselves as highly organized, hierarchical, dynamic material systems comprising cells, various carbohydrates, and extracellular proteins. They are known to be resistant against different kinds of disruptions by chemical, physical, and biological agents. These fascinating qualities make them potential candidates for next generation biomaterials. Motivated as above, we present in this M.S. thesis a comprehensive study of the morphological and mechanical properties (in terms of Young’s modulus) of biofilm structures assembled from bacterial amyloid nanofibers of Escherichia coli (E. coli) via imaging and force spectroscopy performed by the atomic force microscope (AFM). We used techniques adopted from genetic engineering to employ different E. coli mutants, allowing comparisons of Young’s modulus and morphology of different biofilm nanofibers based on genetic composition. In particular, we tuned the genetic expression of the major (CsgA) and minor (CsgB) proteins constituting bacterial amyloid nanofibers, with the optional addition of certain amino acid tags in order to have multiple controlled versions of biofilm nanofibers. After sample preparation, we calibrated a single AFM probe to be used for all experiments, and performed contact-mode imaging measurements to probe the morphological differences among these genetically-different biofilm amyloid nanofibers. In addition, we conducted nanoindentation experiments to obtain force spectroscopy curves. A precise processing routine was developed to extract the mechanical stiffness from acquired data. Furthermore, we statistically contrasted the stiffness values to reveal the genetic dependence of the mechanical properties of the final protein assembly. The processing routine was also able to detect the effect of the substrate on mechanical stiffness measurements. The experimental results presented in this thesis pave the road for the use of genetic engineering to rationally tune the mechanical as well as the morphological properties of bacterial amyloid nanofibers, and thereby underline the critical role that they may play as new generation biomaterials. | |||