Marmara Denizi'nden izole edilen endemik bacillus türünün yardımıyla kitosan üretimi ve kullanımı

Abstract

Canlı sistemlerde bulunan polisakkaritler enerji depolama, metabolik döngüler, hücresel yapı ve sinyal iletimi gibi biyolojik süreçlerde görev almaktadırlar. Polisakkaritler aynı zamanda önemli ve kıymetli biyopolimerlerdir. Canlılarda en çok bulunan ikinci polisakkarit kitindir. Kitin, kitin deasetilaz enzimi vasıtası ile kitosana dönüştürülebilmektedir. Kitosan, temel bilimlerde ve pek çok endüstri kollunda kullanılan önemli bir biyopolimerdir. Diğer biyopolimerlerle karşılaştırıldığında kitosanın erişilebilirlik, biyouyumluluk, biyolojik olarak parçalanabilirlik, toksik olmaması ve antibakteriyel etkiye sahip olması gibi bazı avantajları vardır. Kitosanın fiziksel, kimyasal ve biyolojik olmak üzere farklı üretim yolları bulunmaktadır. Endüstrideki en yaygın üretim biçimi kimyasal üretimdir. Çevreye zararlı kimyasalların salınmasına sebep olan kimyasal üretim yöntemleri sonucunda elde edilen kitosanın, biyouyumluluk ve toksisite bakımından dezavantajlı olması durumu; tıp, biyomedikal, tarım ve gıda gibi alanlarda kullanımının kısıtlanmasına sebep olmaktadır. Kitosan farklı formlarda da üretilebilmektedir. Boncuk formunda üretimi son yıllarda yaygınlaşmıştır. Özellikle gıda ve tarım sektörlerinde taşıyıcı ve adsorbent olarak kitosan boncukların kullanılması üzerine önemli araştırmalar yapılmıştır. Bu araştırmalarda kitosan boncukların modifikasyon kolaylığı, yüksek adsorpsiyon kapasitesi ve güçlü antimikrobiyal aktivitesi gibi önemli özellikleri öne çıkar. Bu durum kitosanın, boyaların, metal iyonlarının, organik kirleticilerin ve bakterilerin uzaklaştırılmasında özellikle kullanılmasına neden olmuştur. Çalışmamızda kitosan biyopolimerinin; çevre dostu, biyolojik yöntemle üretimi esas alınmıştır. Bu amaçla Mater ve arkadaşlarının daha önceki çalışmalarında Marmara Denizi ve İzmit Körfezinden izole ettiği deniz bakterileri koleksiyonu, kitin deasetilaz üretimi açısından taranmıştır. Enzimi ürettiği tespit edilen 7 izolat içinden nispeten daha fazla enzim ürettiği görülen İK2-168 bakterisi bu çalışma için seçilmiş ve kullanılmıştır. Çalışmamızda İK2-168 izolatının kitin deasetilaz aktivitesinin tetiklenmesi için atık karides kabuğu kullanılmıştır. Böylece enzimatik yöntemle doğa dostu kitosan üretimi gerçekleştirilmiştir. Kitin kaynağı olarak kullanılan atık karides kabukları ile atık geri dönüşümüne de katkıda bulunulmuştur. Marmara deniz izolatı İK2-168'in biyolojik olarak ürettiği kitosan izole edilerek biyolojik yolla, ucuz ve hızlı kitosan üretimi gerçekleştirilmiştir. Çalışmamızın ikinci aşamasında, biyolojik yolla elde edilen İK2-168 kitosanı ve ticari kitosan ile antimikrobiyal etkileri açısından boncuklar oluşturularak ve disk difüzyon yöntemi kullanılarak karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar doğrultusunda, İK2-168 izolatının enzimatik yolla ürettiği kitosan ve ticari kitosana benzer, hatta daha etkili antibakteriyel etkiler gösterdiği belirlenmiştir. Buna ek olarak İK2-168 izolatı 16S DNA analizi ile Bacillus sp. olarak tanımlanmıştır. Böylece bu çalışma yeni belirlenmiş, olasılıkla endemik bir Bacillus türü ile yapılmış bir çalışmadır.Polysaccharides play a role in a number of biological processes, including energy storage, metabolic cycles, cellular structure, and signal transduction. Polysaccharides are also of significant importance and value as biopolymers. The second most prevalent polysaccharide in living organisms is chitin. Chitin can be converted into chitosan by the enzyme chitin deacetylase. Chitosan is a significant biopolymer utilized in a multitude of scientific disciplines and industrial sectors. In comparison to other biopolymers, chitosan possesses several advantageous characteristics, including accessibility, biocompatibility, biodegradability, non-toxicity, and an antibacterial effect. Chitosan can be produced through a variety of methods, including physical, chemical, and biological processes. The most prevalent method in industry is chemical production. However, the use of chitosan obtained through chemical production is limited due to its potential environmental impact. The release of harmful chemicals during chemical production can compromise the biocompatibility and toxicity of chitosan, particularly in applications such as medicine, biomedicine, agriculture, and food. Chitosan can be produced in a variety of forms, with bead production becoming increasingly prevalent in recent years. Significant research has been conducted on the use of chitosan beads as carriers and adsorbents, particularly in the food and agricultural sectors. In these studies, the key properties of chitosan beads, including ease of modification, high adsorption capacity, and strong antimicrobial activity, have been highlighted. This has led to the use of chitosan for the removal of dyes, metal ions, organic pollutants, and bacteria. The present study is based on the production of chitosan biopolymer by an environmentally friendly, biological method. For this purpose, a collection of marine bacteria isolated from the Marmara Sea and Izmit Bay by Mater et al. was screened for chitin deacetylase production. Of the seven isolates that were identified as producing the enzyme, the IK2-168 bacteria, which exhibited relatively higher enzyme production, was selected for use in this study. In our study, waste shrimp shell was employed to stimulate the chitin deacetylase activity of the IK2-168 isolate, thereby facilitating environmentally benign chitosan production through an enzymatic process. The utilization of waste shrimp shells as a chitin source also facilitated waste recycling. By isolating the chitosan produced biologically by the Marmara marine isolate IK2-168, a cost-effective and expeditious method for chitosan production was established. In the second stage of our study, we compared the antimicrobial effects of biologically produced IK2-168 chitosan and commercial chitosan by forming beads and using the disk diffusion method. The results demonstrated that the chitosan produced enzymatically by IK2-168 exhibited antibacterial effects comparable to, and even more efficacious than, commercial chitosan. Furthermore, IK2-168 isolate was identified as Bacillus sp. by 16S DNA analysis. Thus, this study was conducted with a newly identified, possibly endemic Bacillus sp.