AlgalChitin

TÜBİTAK 1001 projesi · İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü TÜBİTAK 1001 project · İzmir Institute of Technology

AlgalChitin

Diatomlardan yüksek saflıkta kitin nanofiberi üretmek için, silikon erişilebilirliğini kontrol eden ve hücreleri geri devirle yeniden kullanan bir kültivasyon yöntemi geliştiriyoruz.

We are developing a cultivation method for high-purity chitin nanofibers from diatoms. It controls silicon availability and reuses the same cells through recycling.

Diatomlar, hücre duvarı silikondan oluşan tek hücreli mikroalglerdir. Bazı türleri kitini nanofiber halinde hücre dışına bırakır. Amacımız, bu üretimi daha verimli ve daha düşük maliyetli hale getirmektir.

Diatoms are single-celled microalgae with a silica cell wall. Some species release chitin as nanofibers outside the cell. Our aim is to make this production more efficient and less costly.

Yaklaşımı inceleSee the approach Ekiple tanışMeet the team
diatom kitinchitin nanofiber silikonsilicon fotobiyoreaktörphotobioreactor PAM
Şematik çizim, ölçeksizdir: Cyclotella cryptica hücresi ve hücre dışına salınan kitin nanofiberleri. Schematic, not to scale: a Cyclotella cryptica cell and the chitin nanofibers it releases outside the cell.

ProblemThe problem

Neden diatom kitini?Why diatom chitin?

KısacasıKabuklulardan kitin ayırmak çevreye ağır ve sonucu değişken bir süreçtir. Diatomlar ise kitini zaten saf lifler halinde kendileri dışarı verir.

In shortExtracting chitin from shellfish is harsh on the environment and gives variable results. Diatoms already release theirs as pure fibers.

Kitin, N-asetilglukozamin birimlerinden oluşan doğal bir biyopolimerdir. Biyomedikal ve eczacılık alanlarında, örneğin yara pansumanlarında, kullanılır. Bugün piyasadaki kitin büyük ölçüde atık deniz kabuklularından elde ediliyor. Kabuklularda kitin proteinlere ve minerallere gömülüdür. Onu ayırmak için yüksek sıcaklıkta, uzun süreli asit ve baz işlemleri gerekir. Bu işlemler çevreye yük bindirir, safsızlıkları tamamen gideremez ve polimerin özelliklerini kontrolsüz biçimde değiştirebilir.

Chitin is a natural biopolymer built from N-acetylglucosamine units. It is used in biomedical and pharmaceutical applications, wound dressings among them. Most of today's chitin comes from shellfish waste, where it is embedded in proteins and minerals. Freeing it takes long, high-temperature treatments with acids and bases. These steps burden the environment, never remove every impurity, and can change the polymer's properties in uncontrolled ways.

Cyclotella ve Thalassiosira cinsi diatomlar ise saf kitini β-kristal formunda nanofiberler olarak sentezler ve hücre dışına bırakır. Tam kontrollü koşullarda yetiştirilebildikleri için, özellikleri kontrol edilebilen yüksek saflıkta kitin için güçlü bir üretim platformu sunarlar. Eksik olan, bu metabolite uygun ve maliyeti düşüren bir üretim yöntemidir.

Diatoms of the genera Cyclotella and Thalassiosira, in contrast, synthesize pure chitin as β-crystalline nanofibers and release it outside the cell. Because they can be grown under fully controlled conditions, they are a strong platform for high-purity chitin with controllable properties. What is missing is a production method suited to this metabolite that also brings costs down.

Deniz kabuklularıShellfish DiatomlarDiatoms
KaynakSource Atık deniz kabuklularıShellfish waste Kontrollü diatom kültürüControlled diatom culture
Kitin türü ve durumuChitin type and state α-kitin; proteinlere ve minerallere gömülüα-chitin; embedded in proteins and minerals β-kitin; saf nanofiber, hücre dışındaβ-chitin; pure nanofibers, outside the cell
AyırmaIsolation Sert asit ve baz işlemleriHarsh acid and base treatments Düşük hızlı santrifüjLow-speed centrifugation
TutarlılıkConsistency Bölgeye ve mevsime göre değişkenVaries by region and season Kontrollü koşullarla yönetilebilirManageable through controlled conditions

YöntemThe method

Aynı hücreleri tekrar tekrar kullanmakUsing the same cells again and again

Silikon limitasyonu diatomlarda kitin sentezini artırır; ancak uzun süreli limitasyon fotosistem II verimini düşürür ve kitin üretimini önce yavaşlatır, sonra durdurur. Öte yandan fiberlerin büyük bölümü hücrelere bağlı değildir, bu yüzden hücreler ve fiberler düşük hızlı santrifüjle ayrılabilir. Projede bu iki bulguyu birleştiriyoruz.

Silicon limitation increases chitin synthesis in diatoms, but prolonged limitation lowers photosystem II efficiency and first slows, then stops chitin production. Meanwhile most fibers are not attached to the cells, so cells and fibers can be separated by low-speed centrifugation. The project combines these two findings.

KısacasıHücreleri kısıtlı silikonla kitin üretmeye yönlendiriyor, küçük bir silikon dozuyla toparlıyor ve aynı hücreleri tekrar kullanıyoruz.

In shortWe steer cells to make chitin under limited silicon, revive them with a small silicon dose, and use the same cells again.

  1. 1

    ÇoğaltGrow

    Hücreler besin bakımından zengin ortamda çoğaltılır.

    Cells multiply in a nutrient-rich medium.

  2. 2

    Kitin üretMake chitin

    Silikon limitasyonunda hücre bölünmesi durur, kitin nanofiberleri ise hücre dışına salınmaya devam eder.

    Under silicon limitation cell division stops, while chitin nanofibers keep being released outside the cell.

  3. 3

    AyırSeparate

    Düşük hızlı santrifüj hücreleri çöktürür. Fiberler süpernatantta kalır ve ayrı toplanır.

    Low-speed centrifugation pellets the cells. The fibers stay in the supernatant and are collected separately.

  4. 4

    CanlandırRevive

    Hücrelere çok küçük, kontrollü bir silikon dozu verilir. Amaç, hücre bölünmesini en düşükte tutarken fotosistem II verimini (Fv/Fm) geri kazandırmaktır. Verim, PAM floresans ölçümleriyle izlenir.

    Cells receive a very small, controlled silicon dose. The aim is to restore photosystem II efficiency (Fv/Fm) while keeping cell division minimal. Efficiency is tracked with PAM fluorometry.

  5. 5

    Tekrar kullanReuse

    Canlanan hücreler yeni ortamda yeniden kitin üretir. Döngü aynı hücrelerle üç kez tekrarlanır.

    Revived cells make chitin again in fresh medium. The cycle repeats three times with the same cells.

Yöntem daha sonra beslemeli kesikli kültivasyona ve santrifüjle yoğunlaştırılmış kültürlere uygulanacak.

The method is then applied to fed-batch cultures and to centrifugally concentrated cultures.

Çalışma planıWork plan

Beş iş paketiFive work packages

KısacasıÖnce en küçük etkili silikon dozunu buluyor, sonra bu dozla döngüyü giderek daha yoğun kültürlerde deniyoruz.

In shortFirst we find the smallest effective silicon dose, then we test the cycle on increasingly dense cultures.

İP 1WP 1

Minimum silikon dozajıMinimum silicon dose

Uzun süreli silikon kısıtıyla düşen fotosentez verimini ve kitin üretkenliğini geri kazandıran en küçük silikon miktarı, nitrat ve üre için ayrı ayrı belirlenir.

The smallest silicon amount that restores the photosynthetic efficiency and chitin productivity lost to prolonged silicon limitation is determined separately for nitrate and urea.

İP 2WP 2

Üç döngülü geri devirThree recycling cycles

Belirlenen dozla hücreler hasat, geri devir ve tekrar kültivasyon döngüsünde üç kez kültive edilir.

With that dose, cells go through harvest, return to the reactor and re-cultivation three times.

İP 3WP 3

Beslemeli kesikli kültivasyonFed-batch cultivation

Sonuçlar, çok daha yüksek hücre yoğunluğuna ulaşılan beslemeli kesikli kültivasyona uygulanır.

The results are applied to fed-batch cultures, which reach much higher cell densities.

İP 4WP 4

Yoğunlaştırılmış kültürlerConcentrated cultures

Birkaç reaktörden toplanan hücreler santrifüjle birleştirilerek 2, 3 ve 4 kat yoğunlaştırılır ve yöntem bu kültürlerde denenir.

Cells from several reactors are pooled by centrifugation into 2×, 3× and 4× concentrated cultures, and the method is tested on them.

İP 5WP 5

Metabolit profiliMetabolite profile

Tüm iş paketlerinde üretilen biyokütlede kitin, lipid ve protein içeriği ile çözünmüş besin konsantrasyonları ölçülür.

Chitin, lipid and protein content and dissolved nutrient concentrations are measured in the biomass from all work packages.

SözlükGlossary

Kullandığımız terimlerTerms we use

Diatom
Hücre duvarı (früstül) amorf silikadan oluşan, tek hücreli fotosentetik mikroalg. Küresel birincil üretimin tahminen %20–25'ini diatomlar gerçekleştirir.
A single-celled photosynthetic microalga whose cell wall (frustule) is made of amorphous silica. Diatoms are estimated to carry out 20–25% of global primary production.
Kitin nanofiberiChitin nanofiber
N-asetilglukozamin zincirlerinden oluşan, çapı nanometre ölçeğinde lif. Diatomlarda hücre duvarındaki portulae adlı açıklıklardan dışarı çıkar.
A fiber of N-acetylglucosamine chains with a diameter on the nanometre scale. In diatoms it emerges through openings in the cell wall called portulae.
Silikon limitasyonuSilicon limitation
Ortamdaki çözünmüş silikonun tükenmesi. Diatomlar yeni früstül yapamadığı için bölünmeyi durdurur, kitin üretimi ise sürer.
Depletion of dissolved silicon in the medium. Diatoms cannot build new frustules and stop dividing, while chitin production continues.
Fv/Fm
Karanlığa uyumlu hücrelerde fotosistem II'nin maksimum kuantum verimi; hücrenin fotosentetik sağlığının göstergesi. PAM floresans cihazıyla ölçülür.
The maximum quantum yield of photosystem II in dark-adapted cells, an indicator of photosynthetic health. It is measured with a PAM fluorometer.
Kabarcık kolon fotobiyoreaktörBubble-column photobioreactor
Mikroalglerin ışık altında yetiştirildiği, hava ve CO₂ karışımının alttan kabarcıklar halinde verildiği kontrollü silindirik kap.
A controlled cylindrical vessel in which microalgae grow under light while an air and CO₂ mixture is bubbled in from below.
Beslemeli kesikli kültivasyonFed-batch cultivation
Besinlerin kültüre kademeli eklendiği yöntem. Hücre yoğunluğu, besinlerin bir kerede verildiği kesikli kültüre göre çok daha yükseğe çıkar.
A method in which nutrients are added to the culture step by step, so cell density climbs far higher than in a batch culture where nutrients are supplied once.

KünyeAt a glance

Proje bilgileriProject facts

Proje başlığıProject title
Yüksek Üretkenlikte Diatom Kitin Nanofiberi Üretimi için Kontrollü Silikon Erişilebilirliği ve Hasat Sonrası Hücre Geri Devrine Dayalı Bir Kültivasyon Metodu Geliştirilmesi Development of a controlled silicon delivery and cell recycling based highly efficient diatom chitin nanofiber production method
ProgramProgramme
TÜBİTAK 1001 · Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Projelerini Destekleme ProgramıTÜBİTAK 1001 · Support Programme for Scientific and Technological Research Projects
KurumInstitution
İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsüİzmir Institute of Technology
SüreDuration
28 ay28 months
Diatom suşuDiatom strain
Cyclotella cryptica CCMP 333
ReaktörReactor
Kabarcık kolon fotobiyoreaktörlerBubble-column photobioreactors
Fotosentez takibiPhotosynthesis monitoring
PAM floresans ölçümü (Fv/Fm)PAM fluorometry (Fv/Fm)

İnsanlarPeople

EkipTeam

Doç. Dr. Altan Özkan

Proje YürütücüsüPrincipal Investigator

İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsüİzmir Institute of Technology

Ayşegül Yeşildağ

Araştırmacı BursiyerResearch Fellow

İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsüİzmir Institute of Technology

Yusuf Hamza Örs

Araştırmacı BursiyerResearch Fellow

İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsüİzmir Institute of Technology

GelişmelerUpdates

Bizi takip edinFollow the work

Projenin ilerleyişini bu sitede, makalelerde ve konferanslarda, ayrıca sosyal medya hesaplarımızda paylaşacağız.

We will share the project's progress on this site, in papers and conferences, and on our social media accounts.