Cereibacter sphaeroides ve Cupriavidus necator'un dört farklı karbon kaynağındaki PHB üretim verimliliklerinin karşılaştırılması

Polihidroksibutirat (PHB) gibi mikrobiyal kaynaklı biyopolimerler, biyolojik olarak parçalanabilirlikleri, biyolojik uyumlulukları ve doğal dokulara yapısal benzerlikleri nedeniyle insan sağlığı ve çevre üzerindeki etkileri açısından umut vadeden alternatifler olarak ortaya çıkmaktadır. Bakteriler, azot veya fosfor gibi temel bir besin maddesinin eksikliği (sınırlayıcı faktör) gibi stres koşulları altında, karbon kaynağını hücre içinde PHB olarak depolar. Örneğin, fotosentetik mor kükürtsüz bir bakteri olan Cereibacter sphaeroides, azot sınırlı koşullar altında kuru hücre ağırlığının %60-70'ine kadar, çok yönlü bir model organizma olan Cupriavidus necator ise çeşitli karbon kaynakları kullanarak kuru ağırlığının %90'ına kadar PHB depolayabilmektedir. Bu tez çalışmasında, yüksek verimle PHB biriktirdiği bilinen C. sphaeroides O.U. 001 (DSM5864) ve C. necator H16 (DSM 428)'nın dört farklı karbon kaynağında PHB üretim verimliliklerinin karşılaştırılması amaçlanmıştır. Karbon kaynağı olarak glikoz, fruktoz, sükroz ve asetat, azot kaynağı olarak ise amonyum klorür ve amonyum sülfat kullanılmıştır. İki bakterinin 70 mM asetat ve optimize edilmiş glikoz, fruktoz ve sükroz konsantrasyonlarının olduğu ortamlarda büyümeleri ve pH değişimleri incelenerek eğriler oluşturuldu. Sudan Black B ve Nile Red boyama yöntemleri ile incelenen bakteri granülleri sırasıyla ışık mikroskobu ve konfokal mikroskop ile görüntülendi. Bakterilerin dört farklı karbon kaynağında %PHB verimlilikleri karşılaştırıldığında en yüksek verim C. sphaeroides 'in asetat içeren besiyerinde kültüre edilmesiyle elde edildi (%40). C. necator'un en iyi büyüdüğü ve verimin yüksek olduğu (%31) karbon kaynağı ise fruktoz oldu. Ekstrakte edilen PHB polimerlerinin karakterizasyonu nükleer manyetik rezonans spektroskopisi (NMR), Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR), termogravimetrik analiz (TGA) / diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) teknikleri ile yapıldı. NMR pikleri 1,18-1,34, 2,38- 2,58 ve 5,15- 5,27 ppm aralığında kaydedildi. Fonksiyonel grupların varlığını gösteren FTIR spektrumları ise 1379-1378, 1453-1452, 2976-2921, 1720-1719, 1276-1043 ve 3307-3436 cm-1 dalga boylarında kaydedildi. Tüm örneklerin TGA termogramları benzerlik gösterdi ve Tm değerleri birbirine oldukça yakındı. DSC ve TGA analizleri ile mikrobiyal PHB örneklerinin erime sıcaklığının (Tm) 160-180°C, maksimum bozunma sıcaklığının (Tmax) ise 240-280°C aralığında olduğu belirlendi. Bu bulgular, uygun karbon kaynağı ve bakteri seçimi ile PHB üretim verimliliğinin arttırılabileceğini ortaya koymaktadır.

Polyhydroxybutyrate (PHB), a microbial-derived biopolymer, has emerged as a promising alternative in terms of its impact on human health and the environment due to its biodegradability, biocompatibility, and structural similarity to natural tissues. Under stress conditions such as the limitation of essential nutrients like nitrogen or phosphorus, bacteria store carbon sources intracellularly in the form of PHB. For example, the photosynthetic purple non-sulfur bacterium Cereibacter sphaeroides can accumulate PHB up to 60–70% of its dry cell weight under nitrogen-limited conditions, while the versatile model organism Cupriavidus necator can store PHB up to 90% of its dry weight using various carbon sources. In this thesis, it was aimed to compare the PHB production efficiencies of C. sphaeroides O.U. 001 (DSM 5864) and C. necator H16 (DSM 428), both known for their high PHB accumulation capacity, using four different carbon sources. Glucose, fructose, sucrose, and acetate were used as carbon sources, while ammonium chloride and ammonium sulfate were used as nitrogen sources. Growth curves and pH changes were monitored in media containing 70 mM acetate and optimized concentrations of glucose, fructose, and sucrose. Bacterial granules were visualized using Sudan Black B and Nile Red staining methods under light microscopy and confocal microscopy, respectively. When PHB production efficiencies were compared across four different carbon sources, the highest yield was obtained from C. sphaeroides cultured in acetate-containing medium (40%). In contrast, the best growth and highest yield for C. necator were observed with fructose (31%). The extracted PHB polymers were characterized using nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), and thermogravimetric analysis (TGA) / differential scanning calorimetry (DSC). NMR peaks were recorded in the ranges of 1.18–1.34, 2.38–2.58, and 5.15–5.27 ppm. FTIR spectra indicating functional groups were observed at wavelengths of 1379–1378, 1453–1452, 2976–2921, 1720–1719, 1276–1043, and 3307–3436 cm⁻¹. TGA thermograms of all samples showed similar patterns, and melting temperatures (Tm) were found to be quite close. DSC and TGA analyses revealed that the melting temperature (Tm) of microbial PHB samples ranged between 160–180°C, while the maximum degradation temperature (Tmax) was between 240–280°C. These findings demonstrate that PHB production efficiency can be enhanced by selecting appropriate carbon sources and bacterial strains.