Peroksidaz özelliği gösteren sitrat kaplı altın nanoparçacıkların kataliz mekanizmasının ve kinetiğinin teorik ve deneysel düzlemde incelenmesi

Nanozim olarak adlandırılan yapay enzimler değişen pH ve sıcaklık koşullarına karşı yüksek dayanıklılıkları, düşük maliyetleri, istenen boyut, şekil ve yüzey özelliğinde hazırlanabilmeleri, yüksek aktiviteleri ve sundukları eşsiz elektrokimyasal özellikler ile çok çeşitli alanlarda kullanılmaktadır. Doğal enzimlere benzer şekilde peroksidaz, oksidaz, katalaz ve süperoksit dismutaz benzeri aktivite göstermektedirler. Nanozimlerin boyutu, şekli, yüzey modifikasyonu, net yükü gibi faktörler enzim benzeri aktivitesinin belirlenmesinde oldukça önemlidir ve bu parametreler değiştirilerek farklı etkinlik düzeyinde nanozimler tasarlanabilmektedir. AuNP, sahip olduğu peroksidaz benzeri aktivite ile araştırmacıların ilgisini çekmektedir. Özellikle sitrat-kaplı AuNP bu anlamda çok geniş bir uygulama alanına sahiptir. AuNP gibi nanozimler doğal enzimlere iyi bir alternatif oluştursa da, yapıları ve kataliz mekanizmaları doğal enzimlerden farklı olabilir. Bu çalışmada, sitrat kaplı AuNP'nin kataliz mekanizmasının, aktif bölgesine substratını bağlayan biyolojik bir enzimden farklı olarak substratların yüzeydeki bağlanma bölgelerine adsorpsiyonuna dayalı olarak gerçekleştiği önerilmiş ve nanozimin çalışma prensibi detaylı olarak incelenmiştir. AuNP'nin substratları H2O2 ve kromojenik bir substrat olan 3,3ʹ,5,5ʹ-tetrametilbenzidin (TMB)' dir. TMB yerine farklı substratlar da kullanılabilmektedir. Önerilen kataliz mekanizmasına göre her iki substrat da AuNP yüzeyinde bulunduğu düşünülen bağlanma bölgelerine adsorplanır. Adsorpsiyon H2O2 molekülü için hidrojen bağları yardımıyla gerçekleşirken, pozitif yüklü TMB molekülü elektrostatik etkileşimler vasıtasıyla negatif yüklü bağlanma bölgelerine adsorplanmaktadır. AuNP yüzeyindeki bir bağlanma bölgesinde adsorplanmış H2O2 molekülü, Fenton benzeri reaksiyon sonucunda hidroksil radikali (•OH) açığa çıkarır ve bu •OH ile komşu bağlanma bölgesine adsorplanmış TMB arasında hız sınırlayıcı basamak olan ve TMB'nin yükseltgendiği reaksiyon gerçekleşir. Açıklanan şekilde gerçekleşen bir yüzey reaksiyonu için yaygın olarak kabul edilen Michaelis-Menten mekanizması yerine bu çalışmada Langmuir-Hinshelwood mekanizması önerilmektedir. Devamında sitrat kaplı AuNP için kataliz mekanizmasının, yüzeyde yer alan bağlanma bölgelerine adsorpsyon üzerinden ilerlediğini desteklemek üzere DNA ile modifiye edilmiş sitrat kaplı AuNP ve sisteamin kaplı AuNP modelleri incelenmiştir. Parçacık yüzeyinde DNA varlığının TMB için mevcut negatif yük miktarını arttırarak H2O2 için de yeni hidrojen bağı olasılıkları oluşturarak adsorpsiyon miktarını arttıracağı öngörülmüştür. Sisteamin kaplı nanoparçacık için ise yüzeyde yer alan amin grupları daha az hidrojen bağı olasılığı ve belirli pH aralığında pozitif yük demektir ki bu da her iki substratın da daha düşük miktarda adsorpsiyonu demek olacaktır. Beklendiği gibi yüzeyde adsorpsiyon için daha fazla bağlanma bölgesi bulunmasının adsorplanan substrat miktarını ve dolayısıyla AuNP için nanozim aktivitesini arttırdığı ortaya konulmuştur. Benzer ilişki daha az bağlanma bölgesi için daha düşük toplam aktivite şeklinde de gözlenmektedir. Böylece literatürde de nanozimler için sıkça önerilen Michaelis-Menten mekanizması dışında sitrat kaplı AuNP için Langmuir-Hinshelwood mekanizmasının önerilebileceği ve kataliz için gerçekleşen yüzey reaksiyonu sebebiyle daha açıklayıcı olacağı düşünülmektedir. Mekanizma incelemesinin ardından Michaelis-Menten kinetiği ile Langmuir-Hinshelwood kinetiğinin kıyaslanması için matematiksel modelleme yapılmış ve her iki kinetik modelin de sitrat kaplı AuNP için deneysel bir veri seti ile uyumluluğu test edilmiştir. Bu çalışma sonucunda her iki modelin de hem birbiri ile hem de deneysel veri ile oldukça uyumlu sonuçlar verdiği görülmüştür. Elde edilen sonuçlara göre nanozimler için bugüne kadar kabul edilenden farklı olarak sitrat kaplı AuNP için Michaelis-Menten yerine Langmuir-Hinshelwood mekanizması ve kinetiğinin kullanılabileceği ve daha açıklayıcı olacağı sonucuna varılmıştır.