Akademik Veri Yönetim Sistemi
Oktay B. (Yürütücü), Meletli F., Demir S.
Yükseköğretim Kurumları Destekli Proje, BAP Araştırma Projesi, 2025 - 2027
Selülaz (EC 3.2.1.4), selüloz molekülleri arasındaki 1,4-glikozidik bağları hidrolize ederek monosakkarit alt birimlerini sentezlemek için sıklıkla kullanılan önemli bir enzimdir. Selülazlar, farmasötik, kâğıt ve hamur, deterjanlar, kimya, gıda ve biyomedikal gibi pek çok sekterde uygulama alanı bulmaktadır. Ayrıca, selülazlar, lignoselülozik biyokütlenin biyoyakıt üretimi için fermente edilmesinde de kullanılmaktadır.
Birçok avantajına rağmen, selülaz gibi enzimlerin büyük ölçekli endüstriyel uygulamalarda kullanımı henüz tam olarak gerçekleştirilememiştir. Bunun başlıca nedeni, enzimlerin zorlu çalışma koşullarında düşük stabiliteleridir; örneğin yüksek sıcaklıklar, ekstrem pH, organik çözücüler, metal iyonları, yüzey aktif maddeler, yetersiz raf ömrü ve geri kazanım ile geri dönüşümün zorluğudur.
Serbest enzimlerin herhangi bir süreç boyunca yapısal stabilitesini, yeniden kullanılabilirliğini, verimliliğini ve geri kazanımını sağlamak oldukça zordur. Bu zorluklar, enzimlerin bir katı çözünmeyen destek matriksi üzerine tutturulması ya da hapsedilmesi, yani immobilizasyonla aşılmaktadır. Enzimlerin bir destek matriksi üzerine immobilize edilmesi, enzim hareketini kısıtlar, non-spesifik adsorpsiyonu engeller, ürün inhibisyonunu önler ve mikrobiyal üremeyi minimize eder; böylece enzim stabilitesini, yeniden kullanılabilirliğini ve operasyonel esnekliğini artırır ve dolayısıyla uzun vadeli stabilite sağlar. Geleneksel olarak, enzimlerin bir destek matriksi üzerine immobilize edilmesi için adsorpsiyon (enzimin, destek matrisi üzerine zayıf etkileşimlerle fiziksel olarak bağlanması), tutuklama ve kapsülleme (enzimlerin, bir zar veya matriks içinde fiziksel olarak hapsolması), çapraz bağlama (enzimlerin birbirine kimyasal bağlarla bağlanarak bir ağ oluşturması) ve kovalent bağlama (enzimlerin, kimyasal reaksiyonlar yoluyla destek matrisi üzerine bağlanması) gibi çeşitli yöntemler kullanılmaktadır. İdeal enzim immobilizasyon yöntemi, maksimum enzim aktivitesini korurken, substratlar/ürünler için kütle transferi sınırlamalarını en aza indirgemelidir. Ancak, bu tekniklerin de kendi içlerinde düşük enzim yüklemesi, sızma ve azalmış aktivite gibi sınırlamaları olup hiçbir yöntem bu gereksinimleri tamamen karşılamamaktadır. Bu nedenle, yeni immobilizasyon matrislerinin ve yöntemlerinin geliştirilmesi hala önemli bir araştırma konusu olmayı sürdürmektedir.
Metal-organik çerçeveler (MOF'ler), metal iyonları ve organik bağlayıcılar ile inşa edilen, gözenekli kristal yapıya sahip çekici bir katı sınıftır. Kimyasal ve yapısal özelliklerinin kolayca ayarlanabilir olması, geniş yüzey alanları, yüksek poroziteye sahip olmaları ve işlevselliklerinin özelleştirilebilmesi nedeniyle MOF'ler, gaz adsorpsiyonu, kataliz ve ilaç taşıma gibi çeşitli alanlarda kullanımları incelenmiştir. Son zamanlarda, MOF'lerin enzimlerin immobilizasyonu için matriks olarak kullanımı da ortaya çıkmıştır. Özellikle ZIF-8 olarak bilinen zeolit imidazolat kafesleri (ZIF'ler), uygun biyouyumlu koşullar altında gelişebilmesi ve mükemmel ısıl ve kimyasal stabiliteleri nedeniyle, enzimlerin tek pot reaksiyonu ile immobilizasyonu için öncelikli olarak incelenmiştir.
Önerilen proje çalışmasında (ZIF-8)-jelatin temelli farklı formülasyonlarda polimerik malzemeler sentezlenecek, Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR), termogravimetrik analiz (TGA), Diferansiyel taramalı kalorimetreler (DSC) gibi yöntemlerle karakterize edilecektir. Selülaz enziminin polimer destek materyallere kovalent ve fiziksel (tutuklama) yöntemleriyle immobilizasyonu gerçekleştirilecektir. Yüksek immobilizasyon verimliliği sağlamak için immobilizasyon için gerekli spesifik parametreler (konsantrasyon, bekleme süresi…) optimize edilecektir. İmmobilize edilen selülaz özellikleri, sıcaklık, pH ve depolama stabiliteleri, kinetik parametreler, lignoselülozik biyokütlenin hidrolizi gerçekleştirilecek ve serbest enzimle kıyaslanacaktır. Endüstriyel uygulamalarda önemli olan immobilize selülazın tekrar kullanılabilirliği ve kaç döngüye kadar aktivitesini koruyacağı araştırılacaktır. Ayrıca bir selülaz-immobilize polimer filmler aracılığıyla bir biyokütlenin (çam çırasının) sakkarifikasyonu ile glikoza dönüştürülmesi gerçekleştirilecektir. Sakkarifikasyon basamağı biyoetanol üretiminde hayati bir adımdır. Dolayısıyla bu proje sonucunda elde edilecek malzemelerin biyoyakıt üretim basamaklarında önemli bir adım olan sakkarifikasyonu daha pratik ve daha az maliyetli bir basamağa dönüştürecektir.