Observing suppression of microbial growth with surface-enhanced raman scattering

Abstract

Mikroorganizmalar doğalarına bağlı olarak insanlar için faydalı veya zararlı olabilirler. Zararlı olmalarına neden olan mekanizmaları bilmek, bu etkileri en az düzeye indirmeyi sağlayabilir. Mikroorganizmaların çevresinde bulunan besin maddelerinin mikarı kadar etraflarında bulunabilecek zehirli kimyasalların da büyümeleri üzerinde önemli etkisi vardır. Mikrobiyal büyümenin farklı çevresel koşullarda incelenmesi, mikroorganizmaların büyüme mekanizmalarının anlaşılması açısından önemlidir. Bir çok analitik ve spektroskopik metod arasından yüzeyde zenginleştirilmiş Raman saçılması (YZRS) biyolojik örneklerle çalışmak için umut vaat eden bir tekniktir. YZRS moleküllerin titreşim modlarına bağlı olarak molekül yapıları ile ilgili önemli bilgiler sağlar. YZRS için örnekhazırlamanın kolay olması, alınan spektrumun sudan etkilenmemesi ve az miktarda örneğin yeterli olması, YZRS'nin biyolojik örneklerin analizinde kullanılmasını avantajlı hale getirir. Bu tezde, bir biyosidal ajanın bakteri ve maya hücrelerinin büyümesine etkisi YZRS ile incelenmiştir. Biyosidal ajan olarak, maltozla-indirgenmiş gümüş nanoparçacıklar kullanılmıştır. Bakteri hücresine model olarak Escherichia coli (E.coli), maya hücresine model olarak ise Saccharomyces cerevisiae (S.cerevisiae) seçilmiştir. Gümüş nanoparçacıkların bahsedilen mikroorganizmalar üzerindeki etkisi üç farklı konsantrasyonda (5, 10, ve 20 ppm) incelenmiştir. Mikrobiyal büyümeleri hem optikyoğunlukları ölçülerek hem de lazer ışını altındaki Raman saçılmaları toplanarak izlenmiştir. Zamana bağlı olarak gözlenen spektral değişiklikler analiz edilmiş ve amino asitler, karbonhidratlar, proteinler ve genetik materyalden gelen pikler kullanılarak hücre kültüründeki kimyasal maddelerin içeriğindeki değişimler izlenmiştir. Yapılan iki analizin ışığında, 5 ve 10 ppm gümüş nanoparçaçıkla inkübasyonun E.coli'nin büyümesini baskıladığı, 20 ppm konsantrasyonda ise büyümenin hiç gözlemlenmediği anlaşılmıştır. S.cerevisiae' den alınan sonuçlarda ise büyümenin baskılanmasının artan gümüş nanoparçaçık konsantrasyonu ile doğru orantılı olarak arttığı gözlemlenmiştir.

Microorganisms can be both harmful and beneficial for human depending on their nature. If the mechanisms that make them harmful are known, their detrimental effects can be minimized, which makes the study of microbial growth crucial. The amount of nutrients plays an important role on the growth as well as presence of different chemicals that are toxic to them. Observation of microbial growth in different environmental conditions is important in terms of understanding the growth mechanisms of microorganisms. Among many analytical and spectroscopic methods, Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS) is a promising technique to work with biological samples. It gives valuable information about molecular structures based on their vibrational modes. While working with biological samples, it has many advantages such as simple sample preparation, no interference from water and achieving low limits of detection. In the thesis presented below, microbial growth of bacteria and yeast cells in the presenceof a biocidal agent were investigated with SERS. Maltose-reduced silver nanoparticles (mAgNPs) were used as biocidal agent. Escherichia coli (E.coli) and Saccharomyces cerevisiae (S.cerevisiae) were selected as model organisms for bacteria and yeast, respectively. The effect of three different concentrations (5, 10, and 20 ppm) of m-AgNPs were tested on the mentioned microorganisms. Their microbial growth was monitored by both measuring optical density (OD) and collecting their Raman scattering under a laser beam. The spectral changes with respect to time were analyzed and the bands related to certain metabolites of microorganisms such as amino acids, carbohydrates, proteins and genetic material were used to monitor the changes in the chemical composition of cell cultures. Results of both analysis revealed that microbial growth of E.coli is suppressed when the cells are treated with 5 and 10 ppm m-AgNPs, and is inhibited in the presence of 20 ppm m-AgNPs. The results obtained from S.cerevisiae demonstrates suppression of its growth increses with the increasing concentration of m-AgNPs as well.