Çevre-Dostu Antifouling Boyaların Hazırlanmasında Kullanılabilecek in silico Araç: SwissTargetPrediction

Temmuz 02, 2018, 10:33 am
14 dakika

 Antifouling
Seher Biler

Kimyager
Kimya Bölümü
Fen Fakültesi
Dokuz Eylül Üniversitesi

 

 Antifouling

 

Prof. Dr. Levent Çavaş
Kimya Bölümü
Fen Fakültesi
Dokuz Eylül Üniversitesi

 

Özet
Deniz araçlarının sualtında kalan kısımları fouling organizmalarca kaplanmaktadır. Bu durum önemli problemlere sebep olmaktadır.
Bu problemleri engellemek için gemilerin sualtında kalan kısımları özel boyalarla kaplanır. Bu boyalara zehirli veya antifouling
boyalar denir. Bu boyaların bileşiminde deniz ekosistemindeki hedef olmayan organizmalar için oldukça zararlı kimyasal ajanlar
bulunmaktadır. Bu çalışmada çevre dostu antifouling boya formülasyonlarının geliştirilmesinde kullanılabilecek in silico bir araç
tanıtılacaktır.

1. Antifouling Boya nedir?
Deniz suyuna daldırılmış yapay yüzeyler üzerine fouling organizmaların adsorbe olarak yaşamlarını sürdürmelerine biyofouling
denir. Biyofouling doğal bir olay olmasına rağmen deniz araçlarında manevra kabiliyetinde azalma, fazla yakıt tüketimi ve fazla
CO2 salınımı gibi önemli problemlere sebep olmaktadır. Biyofouling olayını engellemek için antifouling kaplama teknolojileri
geliştirilmiştir [1]. Geçmişten günümüze birçok toksik bileşik (arsenik, kurşun, civa bileşikleri) bu boyalarda kullanılmış ve bu
zararlı ajanlar sayesinde fouling organizmalardan koruma sağlanmıştır. Bu bileşikler birçok çevresel risk oluşturduğu için
yasaklanmış ve yeni alternatif arayışına girilmiştir [2]. Bu bağlamda en etkili biyosit olarak TBT (tribütiltin) önerilmiş ve üstün
koruma özellikleri sayesinde ticarileştirilmiştir. Fakat yapılan çalışmalar sonucunda TBT’nin hedef olmayan organizmalar üzerinde
toksik etkileri olduğu gösterilmiştir. Örneğin; nanomolar düzeyde bulunan TBT Crassostrea gigas türü deniz canlısının kabuk
gelişiminde sorunlara neden olduğu rapor edilmiştir [3]. Yine TBT’ye maruz kalan Nucella lapillus türlerinde üreme problemlerinin
ortaya çıktığı gösterilmiştir [4]. Bu gibi hedef olmayan deniz organizmaları üzerindeki yan etkilerinden dolayı TBT tabanlı boyaların
üretimi 2003 yılından, kullanımı ise 2008 yılından sonra IMO (Uluslararası Denizcilik Örgütü) tarafından yasaklanmıştır [5,6]. TBT’nin
yasaklanmasının ardından biyosit içerikli boyalar kullanılmaya devam edilmiş ve güçlendirici biyosit (booster biocide) adı altında
birçok bileşik kullanılmaya başlanmıştır. Ayrıca çevre dostu alternatif çözümlerde geliştirilmeye başlanmıştır [7]. Antifouling boyalar
bağlayıcının kimyasal özelliklerine göre Şekil 1’de gösterildiği gibi iki gruba ayrılır.

 Antifouling

Şekil 1. Bağlayıcı tipine göre antifouling boya türleri [8]

 

2. Antifouling Boyalarda Kullanılan Toksik Bileşikler
TBT bazlı boyaların yasaklanmasından sonra deniz boyası üreten firmalar TBT’nin yerini alabilecek formülasyonların arayışına
girmişlerdir [9]. Yapılan çalışmalar sonucunda günümüze kadar kullanılmış/kullanılan güçlendirici biyositlerden bazı örnekler şu
şekildedir: Irgarol 1051, Diuron, Sea-nine 211 (DCOIT), Chlorothalonil, Dichlofluanid, Thiram, Ziram, Zinc pyrithione, Maneb, Zineb,
Preventol A5-S, Copper Omadine, PK (trifenilboran piridin (TPBP veya PK)), Econea (Tralopyril), Medetomidine (SelektopeTM)
[10,11].

 

3. SwissTargetPrediction ve Uygulaması
Antifouling boyaların verimini arttırmak için oldukça değişik sayıda ve çeşitte güçlendirici biyositler kullanılmaktadır. Bu zehirli
bileşiklerin kullanımı hedef olmayan canlılar üzerinde de birçok toksik etkiye sebep olmaktadır. Yeni geliştirilen güçlendirici bir
biyositin toksisitesini değerlendirmek için ciddi sayıda deneysel araştırmaya ihtiyaç duyulmaktadır. Ancak biyoinformatik alanında
geliştirilen yazılımlar yeni geliştirilen moleküllerin canlı organizmalarda hangi hedeflere (protein ya da reseptör) bağlanabileceği
noktasında önemli bilgiler sağlayabilir. Swiss Institute of Bioinformatics (SIB), Molecular Modelling Group (MMG) tarafından
geliştirilen SwissTargetPrediction, toksik moleküllerin canlı organizmalarda hangi hedeflere bağlanabileceğine yönelik in silico
bilgiler sunmaktadır [12, 13].

 

 Antifouling

Şekil 2. SwissTargetPrediction arama ekranı

Şekil 2’de SwissTargetPrediction’ın ana sayfası görülmektedir. Bu programın kullanım adımları şu şekildedir: Şekil 2’de gösterildiği
gibi ilgi duyulan biyoaktif molekülün SMILES versiyonu girilmeli veya sağ tarafta molekülün şekli çizilmelidir. Moleküllerin SMILES
versiyonu bilgisayar yazılımlarının molekülleri çok daha hızlı ve etkin değerlendirmesine olanak sağlayan bir formattır. Şekil 3’te
bisphenol-A’nın yapısı ve SMILES versiyonu gösterilmektedir.

Şekil 3. Bisphenol-A’nın a) yapısı ve b) SMILES versiyonu

Moleküllerin SMILES versiyonlarına birçok veri bankasından kolaylıkla ulaşılabilmektedir. SwissTargetPrediction; Homo sapiens,
Mus musculus, Rattus norvegicus, Bos taurus ve Equus caballus türlerinde arama yapmaktadır. Ancak bu türlerde yer alan
proteinler temel olarak deniz canlılarında da benzerlik göstermektedir. Örneğin Şekil 4’te insan ve atlantik deniz kabuklusu Nucella
lapinus’taki sitokrom C oksidaz altbirim 1’lerin amino asit dizinimleri karşılaştırılmaktadır. Bu karşılaştırma Uniprot.org’ta yapılmıştır.

 Antifouling

 

Şekil 4. Homo sapiens ve Nucella lapinus’ta Sitokrom C oksidaz altbirim 1’in amino
asit dizinim karşılaştırılması.

SwissTargetPrediction’da tür seçimi yapıldıktan sonra “submit” butonuna basılır ve SwissTargetPrediction Şekil 5’te sunulan
sonuçları verir. Şekil 5’te diuron için sonuçlar verilmektedir.

 Antifouling

Şekil 3. Diuron biyositi için SwissTargetPrediction arama sonuçları

 

SwissTargetPrediction arama sonuçlarında bu biyositin proteazlar ve membran reseptörlerine %7’lik, enzimlere %60 ve
sınıflandırılmamış diğer gruplara %27’lik bir dağılım ile bağlandığını görmekteyiz (Şekil 5) [13].

 

 Antifouling

Şekil 4. Diuron biyositi için SwissTargetPrediction arama sonuçları

Şekil 6’da diuronun metabolizmada yüksek olasılıkla bağlanabileceği hedefler detaylı olarak gösterilmektedir. Bağlanma oranı en
yüksek olan protein lipid-fosfat fosfataz olarak saptanmıştır. Bu proteini; P2Y purinoreseptör 1, muscleblind-like protein 1 ve
Şekil 6’da gösterilen diğer proteinler izlemektedir. Şekil 6’da gösterildiği üzere listede yer alan proteinlerin değerlendirilmesiyle ilgili
molekülün toksisitesi değerlendirilebilir ve çevre dostu formülasyonlar hazırlanabilir.

Tartışma
Deniz yoluyla taşımacılık dünya ticaretinde büyük önem taşımaktadır. Deniz taşımacılığında hız ve yakıt sarfiyatı en önemli
parametrelerdendir. Her iki parametreyi antifouling boyalar doğrudan etkilemektedir. Düşük maliyetli boyalar genelde ana biyosit
olarak bakır(I)oksit içermekte olup etkinliği güçlendirici biyositlerle arttırılmaktadır. Deniz ekosistemlerinin korunması için çevre
dostu boyaların geliştirilmesi gerekmektedir. Yebra ve Catala (2011)’nın yaptığı bir araştırmaya göre biyosit içermeyen boyaların
geliştirilmesi deniz ekosistemlerini bir yılda gemilerden salınan yaklaşık 70 milyon ton bakır tabanlı biyositlerden, 6 milyon
güçlendirici biyositlerden ve 20 milyon çözücüden kurtaracağını ortaya koymaktadır [14]. Günümüzde biyosit içermeyen boyalar
maliyeti nedeniyle halen istenilen düzeyde yaygın olarak kullanılmamaktadır. Bu nedenle, biyosit içeren boyaların geliştirilmesinde
deniz ekosistemlerinde fouling organizmaların dışında kalan hedef olmayan organizmalara da özel önem gösterilmesi
gerekmektedir. Çevre dostu antifouling boyaların geliştirilmesi aynı zamanda deniz ekosistemlerinde gerçekleştirilen spor ve
rekreasyonel faaliyetler için önem taşımaktadır [15]. Bu makale kapsamında bir biyoinformatik araç olan SwissTargetPrediction’ın
çevre dostu antifouling boyaların geliştirilmesindeki muhtemel katkılarından söz edilmiştir. Makale kapsamında sunulan örnek
çalışma ilgi duyulan moleküller üzerinde uygulanabilir ve hedef protein ve reseptörler saptanarak canlılar üzerindeki olası
toksisiteleri değerlendirilebilir. Swiss- TargetPrediction biyoaktivitesi tayin edilmek istenen küçük moleküllerin etki
değerlendirilmesinde önemli bir in silico araç olduğu kanısındayız. SwissTargetPrediction aracının yapay zekâ teknolojisindeki
gelişmelerin ışığı altında çok yakın gelecekte doğruya yakın hassaslıkta sonuçlar vereceği inancındayız.

Teşekkür
SwissTargetPrediction’a yönelik ekran görüntülerini bu makalede kullanma izni vermesinden dolayı Prof. Dr. Vincent Zoete’ye
teşekkür ederiz. SwissTargetPrediction Swiss Institute of Bioinformatics (SIB), Molecular Modelling group (MMG) tarafından
geliştirilmiştir.

Kaynakça
[1] Selim, M. S., Shenashen, M. A., El–Safty, S. A., Higazy, S. A., Selim, M. M., Isago, H., & Elmarakbi, A. Recent progress in
marine foul-release polymeric nanocomposite coatings. Progress in Materials Science, (2017), 87, 1-32.
[2] Berto, D., Brusẚ, R. B., Cacciatore, F., Covelli, S., Rampazzo, F., Giovanardi, O., & Giani, M. Tin free antifouling paints as
potential contamination source of metals in sediments and gastropods of the southern Venice lagoon. Continental Shelf Research,
(2012), 45, 34-41.
[3] Higuera-Ruiz, R., & Elorza, J. Shell thickening and chambering in the oyster Crassostrea gigas: natural and anthropogenic
influence of tributyltin contamination. Environmental technology, (2011), 32(6), 583-591.
[4] Gibbs, P. E., & Bryan, G. W. Reproductive failure in populations of the dog-whelk, Nucella lapillus, caused by imposex induced
by tributyltin from antifouling paints. Journal of the Marine Biological Association of the United Kingdom, (1986), 66(4), 767-777.
[5] Magin, C. M., Cooper, S. P., & Brennan, A. B. Non- toxic antifouling strategies. Materials Today, (2010), 13(4), 36-44.
[6] Yebra, D. M., Kill, S., & Dam-Johansen , K. Antifouling technology—past, present and future steps towards efficient and
environmentally friendly antifouling coatings. Progress in Organic Coatings, (2004), 50(2), 75-104.
[7] Chambers, L. D., Stokes, K. R., Walsh, F. C., & Wood, R. J. Modern approaches to marine antifouling coatings. Surface and
Coatings Technology, (2006), 201(6), 3642-3652.
[8] Almeida, E., Diamantino, T. C., & De Sousa, O. Marine paints: the particular case of antifouling paints. Progress in Organic
Coatings, (2007), 59(1), 2-20.
[9] Gırẚldez, I., Chaguaceda, E., Bujalance, M., & Morales, E. Determination of five booster biocides in seawater by stir bar sorptive
extraction–thermal desorption–gas chromatography– mass spectrometry. Journal of Chromatography A, (2013), 1271(1), 17-26.
[10] Arai, T., Harino, H., Ohji, M., & Langston, W. J. (Eds.). Ecotoxicology of Antifouling Biocides. Springer Japan, (2009).
[11] Ohlauson, C., Ecotoxicology of Antifouling Biocides With Special Focus on the Novel Antifoulant Medetomidine and Microbial
Communities, Doktora theses, Faculty of science department of biological and environmental sciences, 2013. (https://gupea.ub.
gu.se/bitstream/2077/33737/1/gupea_2077_33737_1.pdf).
[12] Gfeller, D., Grosdidier, A., Wirth, M., Daina, A., Michielin, O., & Zoete, V. SwissTargetPrediction: a web server for target
prediction of bioactive small molecules. Nucleic Acids Research, (2014), 42(W1), W32-W38.
[13] SwissTargetPrediction, Swiss Institute of Bioinformatics,http://www.swisstargetprediction.ch/, [16.04.2018].
[14] Lejars, M., Margaillan, A., & Bressy, C. Fouling release coatings: a nontoxic alternative to biocidal antifouling coatings.
Chemical reviews, (2012), 112(8), 4347-4390.
[15] Biler S., Cavas L. Possible danger of antifouling biocides in sports organised in aquatic ecosystems. 5th International Sports
Sciences, Tourism and Recreation Congress, 7-9 May 2018, Manisa-Turkey.

 

  • (gizli tutulacaktır)