SENTETİK BİYOLOJİ YAKLAŞIMIYLA KONTROL EDİLEBİLİR HAREKET SİSTEMLİ BİR MİKROBİOROBOT PROTOTİPİNİN TASARLANMASI VE GELİŞTİRİLMESİ

Abstract

Mikrorobotların geliştirilmesindeki son ilerlemeler uzaktan kontrol edilebilen ve kendi kendine enerji üretebilen mikro boyutta robotların tasarlanması için yeni yaklaşımları beraberinde getirmiştir. Mikrobiyal yapıların taklit edilmesi ya da kullanılmasından farklı bir yaklaşım olarak mikroorganizmaların kendileri mikrorobotları hareket ettirmek için kullanılmışlardır. Geleneksel mikrorobotların kendi kendine enerji üretebilmeleri ve uzaktan bağımsız olarak kontrol edilebilmeleri günümüzde büyük bir problemdir. Bununla birlikte mikrorobot olarak mikroorganizmaları kullanan geleneksel mikrobiorobotların ise bağımsız kontrol edilebilmeleri diğer bir zorluk olarak günümüzde devam etmektedir. Dolayısıyla mikrobiorobotların hareketi için geleneksel olarak yabanıl tip hücreleri kullanmak yerine, sentetik biyoloji ve genom mühendisliği yaklaşımları ile sentetik gen devreleri tasarlanabilir, hücre hareketi genetik düzeyde yeniden düzenlenebilir ve hareketliliğin kontrollü kapatılması ile hücrelerin bağımsız olarak hareketi sağlanabilir. Bu tez çalışmasında hiçbir güç kaynağına ihtiyaç duymadan kendi kendine enerji üreten ve aktüatör olarak kullanılacak flagellaları doğal olarak çalıştıran mikroorganizmaları kullanarak tasarlanan sentetik gen devreleri ile hareketliliğin tamamen bağımsız çalıştırıldığı ve kontrollü kapatıldığı mikrobiorobot prototipi olarak kullanılacak bir mikrobiyal sistem geliştirilmiştir. Mikrobiyal hareket modülü, hücre haberleşme modülü ve bir genetik anahtar modülü birleştirilerek tasarlanan üç modüllü sentetik gen devresinin doğal bakteriyel sisteme entegrasyonu ile quorum sensing-bağlı ve bağımsız olarak kontrol edilebilir mikrobiyal hareketlilik sistemi oluşturulmuştur. Üç modüllü sentetik gen devresinin diğer bir özelliği ise çift kontrollü bir sistem olmasıdır. Elektronik sistemlerdeki VE mantık geçidi (AND logic gate) model alınarak oluşturulan bu sentetik gen devresinin hareket modülü, sadece diğer her iki modül açık olduğunda çalışmıştır. Bu özelliğiyle güçlü bir dinamik yapı gösteren çift kontrollü mikrobiorobot tasarımı bizim bilgimize göre literatürde ilktir.

The latest advancements in developing the microrobots have brought new approaches to the design of untethered and self-powered micro-size robots. As a different approach than mimicking or using the microbial structures, the microorganisms themselves were used for the movement of microrobots. However, the difficulty of independently controlling conventional microrobots using the microorganisms for microrobots is still going on as well as it is still a big problem to achieve the conventional microrobots that are self-powered and have independently remote-control. Hence, bacterial cell movement can be reorganized at the genetic level by designing synthetic gene circuits with synthetic biology and genome engineering approaches instead of using conventionally wild-type cells for the movement of microbiorobots and independently acting of the cells can be provided with controlled switch off of the motility. In this thesis study, a microbial system that was used as microbiorobot prototype was developed and the motility was activated completely independently and turned off by controlled switch off with synthetic gene circuits designed with synthetic biology approach by using the microorganisms activate the flagella naturally that are to be used as actuators which are self-generating without the need for any power source. Microbial motility systems controlled by quorum sensing-dependent and independent were created with integration of synthetic gene circuit with three modules, designed by combining microbial motility module, cell communication module and a genetic switch, to natural bacterial system. Another feature of synthetic gene circuit with three modules is the fact that it is a dual control system. The motility module of this synthetic gene circuit was inspired by AND logic gate in electronic systems, which means that the motility module will work only when other two modules are on. To our knowledge, dual control microbiorobot design that has shown a strong dynamic structure with this feature will be the first in the literature.