İnorganik Yüzeylerde Hücre Duvar Proteinleri İle Organik Nanoyapıların Oluşturulması

Abstract

Nanoteknoloji sadece yeni özelliklere sahip yüzeylerin oluşturulmasında değil aynı zamanda daha düşük maliyetle daha hızlı çalışan yeni aletlerin yaratılmasınıda da önemli bir role sahiptir. Bu yeni yapıların geleneksel olanlara oranla daha üstün opto-elektronik, manyetik veya katalitik özellikleri vardır. Moleküler düzeyde üretim gibi birçok önemli teknolojik uygulamaya nano boyutta yapılandırılmış yüzeylerle ulaşılabilmektedir. Bu yüzeyler özel fiziksel ve kimyasal özelliklere sahiptirler. Nanometre seviyesinde malzeme üretimini kontrol edebilmek için en kritik teknolojik sorun ise yüzeylerin bu boyutlarda yapılandırılmasıdır. Her ne kadar elektron demeti litografisi, taramalı prob litografisi ve odaklanmış ion demeti litografisi gibi nano-litografi teknikleri 100nm’nin altında boyut ve mesafelerde çalışmak üzere geliştirilmiş olsa da bu tekniklerin yüksek maliyeti ve düşük üretim hızları halen sorun oluşturmaktadır. Bu nedenle, alternatif nano üretim metotları aramak için son on yılda doğadan esinlenilmeye başlanmıştır. Nanoteknolojik uygulamaların büyük bir bölümü kendi kendine birleşen, özellikle de belirli şekillere sahip olan yeni, gelişmiş yüzeylere ihtiyaç duymaktadır. Bunun gerçekleştirilebilmesi için nano-biyoteknoloji bilimi doğada evrim süreci boyunca kendiliğinden oluşmuş, son derece kompleks nano yapılardan ilham alma yolunda gelişmiştir. Moleküler düzeyde kendi kendine birleşmenin bir nano sentezleme stratejisi olarak kullanılmasında temel prensip şekillendirici moleküllerin ve supramoleküler birimlerin oluşturulmak istenen yapıya doğru şekilde bütünlüğü sağlamak için kendilerinden hareket etmeleridir. Bu olayın birçok avantajı vardır. İlk olarak nano boyutta üretimin en zor bölümünü teşkil eden, yapıların atomik düzeyde şekillendirilebilmesi işi, kendiliğinden gerçeklemiş olur. İkinci bir avantajı, biyolojiden ilham alarak, karmaşık ve kullanışlı yapılar oluşturmasıdır. Üçüncü olarak, biyolojik yapıları üretilen cihazın son halinin bir parçası olarak kullanmasıdır. Son olarak, sistem termodinamik kurallara uygun olarak işlediğinden sonuçta elde edilen malzemeler ya çok az hata içerir yada kendi kendini onarabilme özelliğine sahiptir. Bu çalışmanın amacı, nano boyutta yapılandırılmış malzemeleri “bottom-up” üretim stratejileri ile üretmektir. Hücre duvarı proteinlerinin özellikle dkkat çekici olmasının nedeni, kesin belirlenmiş aralıklarla, iki boyutlu kristal dizileri kendi kendilerine çeşitl fiziko-kmyasal koşullar altında oluşturabilmeleridir.Hücre duvar proteinleri bir çok bakteri ve arkea’nın hücre duvar yüzeyinin en üst kısmında bulunur. Protein monomerleri veya glikoprotin serilerinden oluşurlar. Moleküler ağırlıkları 40 ila 200kDa arasındadır. En ilgi çekici özellikleri 3-30nm arası latis aralıklarıyla düzenli yüzey yapıları oluşturmaları ve in vitro veya in vivo olarak kendiliklernden organize olarak oblik (p1, p2), kare (p4) ve altıgen (p3,p6) diziler oluşturabilmeleridir. Bu dizilerin kalınlıkları 5 ila 10nm arasında olup, ortalarında bulunan delikler 2-8nm arasında ve boyutsal ve morfolojik olarak benzerdir. Bu çalışmada, D. radiodurans bakterisinden saflaştırılan hücre duvar proteinleri kullanılmıştır. Bu proteinler altıgen simetriye sahiptir ve 18nm latis aralıkları vardır. Merkez bölgesi altı adet aynı protein monomerinin bir boşluk bölgesini çevrelemesinden oluşur. Bu çalışmada hücre duvar proteinleri kullanılarak üç farklı malzeme üzerinde oluşturulan nano boyutlu yapıların incelenmesinde ve görüntülenmesinde atomic kuvvet mikroskobu kullanılmıştır. Ön deneylerde silikon ve mika malzemeleri ile çalışılmıştır. Bunun nedeni bu iki malzemenin oldukça temiz ve çok düz yüzeylere sahip olmalarıdır. Buna karşılık alüminyum örneklerin yüzeylerinin çok dikkatli bir şekilde elektrolitik olarak parlatılması ve yüzey pürüzlülüğünün düşürülerek proteinlerin kristallenebilmelerine imkan vermesi sağlanmıştır. Ilk çalışmalardan elde edilen sonuçlar hücre duvar proteinlerinin düz yüzeylerde kristallenmelerinin oldukça fazla olduğunu göstermiştir. Buna karşılık, tek katmanlı bir kristallenmeden ziyade çok katmanlı yapıların oluştuğu gözlenmiştir. Alüminyum üzerinde, hücre duvar protenleri kullanılar bir nano yapı oluşturulması bu alışmada ilk olarak gösterilmiştir. Sonuç olarak, nano-biyoteknolojik yaklaşım ile hücre duvar proteinleri, biyolojik moleküllerin nanometer boyutunda yapıların ve nano-şablonların oluşturulmasında kullanımının gelecek çalışmalar için alternatif ve umut vaad edici bir yol olduğu gözlenmiştir. Ayrıca, gelecek çalışmalarda protein temelli yapıların genetik değişiklikler ile nano boyutlu şablon ve dizilerin daha fonksiyonel özellikler kazanmasında kullanılabileceği düşünülmektedir.Nanotechnology not only can produce surfaces with novel functionality, but also new devices that are cheaper and faster than conventional ones, and which may have other advantages such as unique optoelectronic, magnetic, or catalytic properties that can be tuned by varying the size and/or the interparticle spacing of its constituents. Many important technological applications such as molecular level manufacturing of systems can be attributed to nanostructured surfaces because they exhibit unique physical and chemical properties. One of the crucial technological challenges, however, is the development of effective patterning methods to control assembly on a nanometer scale. Although nanolithography techniques such as electron beam lithography (EBL), scanning probe lithography (SPL), and focused ion beam lithography (FIBL) permit the creation of ordered nanostructured arrays with high resolution (i.e., 100 nm features and/or spacings) and very good control over particle shape and spacing, the cost of these techniques is high and the fabrication process is relatively slow. Therefore, looking into nature for an alternative parallel approach for nanofabrication has inevitably emerged in the last decade. A great number of nanotechnological application require the development of sophisticated self-assembled surface substrates, particularly those with defined spacing. For this to be achieved, the promising science of nanobiotechnology take inspiration from the nature which through evolution has produced extremely complex nanostructures via self-assembly method. The basic principle of molecular self assembly as a nanofabrication strategy is that it brings together designing molecules and supramolecular units in a way that they aggregate into desired structures via shape-complementarity. The advantages of this phenomena are numerous. First, it makes naturally happen the most demanding task of nanofabrication which is atomic level modification of structures. Second, it takes inspiration from biology and realizes the development of complex, functional structures. Third, it utilizes biological entities directly as a part of the final systems. Finally since it functions by thermodynamic rules, the results are structures that are relatively defect free and self healed. The aim of this study was creating nanostructured materials based on bottom-up manufacturing strategies. Of particular interest are surface layer proteins (S-layer) which self-assemble on the surfaces as biological scaffolds. S-layer proteins are of great importance in bionanofabrication since they self-assemble into well defined two dimensional crystalline arrays on a wide range of topological and physico-chemical environments. S-layer protein lattices are found on the outermost surface of many prokaryotic microorganisms (i.e., bacterial and archaea) and are composed of protein (or glycoprotein) monomers with a molecular weight of 40-200 kDa depending on the particular microbial species. S-layers are particularly interesting since they display a highly repetitive surface structure with nanometric lattice spacing (3-30 nm) and possess the useful ability to self-organize (either in vivo or in vitro) to form oblique (p1, p2), square (p4) or hexagonal (p3, p6) array structures only 5-10 nm in thickness. Pores of identical size and morphology in the size range of 2-8 nm are typically found. The D. radiodurans S-layer, utilized herein also known as the hexagonally packed intermediate (HPI) layer, has a p6 rotational symmetry with a reported spacing of 18 nm between each protein core region. The core region itself consists of six identical protein monomers enclosing a single central pore, and is in turn surrounded by six vertex regions of identical size. Atomic force microscopy has been used to investigate nanostructures formed by s-layers on three different substrates. In the preliminary experiments, silicon wafer and mica are used as control substrates since they exhibit a relatively clean and extremely flat surface topographies. However aluminum samples had to be electropolished very carefully in order to allow the crystallization procedure on the surface. Results of the initial studies showed that S-layer recrystallization was very abundant on the flat surfaces. However the control over the monolayer formation was not possible and many multilayered crystallization was observed. Generating a nanomask on aluminum surface via S-layer proteins was demonstrated for the first time. In conclusion, from a nanobiotechnological standpoint surface layer proteins offer an alternative promising way of using biological molecules for nanometer scale synthesis of nanotemplates or nanomasks. Moreover as a future vision protein-based scaffolds can be genetically modified which will potentially improve their nanoarray fabrication properties.