Hayvansal Biyoteknoloji Uygulamalarında Güncel Gelişmeler

Transkript

1 KSÜ. Fen ve Mühendislik Dergisi, 8(2) KSU. Journal of Science and Engineering 8(2)-2005 Hayvansal Biyoteknoloji Uygulamalarında Güncel Gelişmeler Mehmet Sait EKİNCİ, İsmail AKYOL, Mesut KARAMAN, Emin ÖZKÖSE Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi, Ziraat Fakültesi, Zootekni Bölümü, Kahramanmaraş ÖZET: Geçmişi M.Ö yıllarına dayanan biyoteknoloji, fermente ürünlerin elde edilmesiyle başlamıştır. Daha sonra, özellikle mikroorganizmaların ikincil ürünü olan organik asitler, antibiyotikler, enzimler ve çeşitli proteinler elde edilmeye başlanılmıştır. İstenilen verim parametreleri açısından üstün bireyler elde etmek veya mevcut hayvanlara yeni özellikler kazandırmak için transgenik hayvan teknolojisi gelişmeye başlamıştır. Genetik olarak üstün hayvanlar elde etmek için yapay tohumlama, embriyo transferleri ve embriyo veya hücre çekirdeğine mikroinjeksiyon ile gen transferi ve klonlama teknikleri uygulamaya geçmiştir. Değişik organizmalara ait genlerin bireysel olarak farklı organizmalara transfer edilebilmesi ve çalıştırılması, biyoteknolojinin bir endüstri kolu haline gelmesine yol açmıştır. Sağlık açısından büyük önemi olan terapötik maddelerin biyoteknolojik olarak elde edilen transgenik hayvanlara ürettirmek teknolojinin hedefi haline gelmiştir. Anahtar Kelimeler: Biyoteknoloji, Gen, Transgenik, Terapötik Maddeler Recent Advances in Applications of Animal Biotechnology ABSTRACT: Biotechnology started from 6000 B.C. with fermented products. It continued by overproducing second metabolites of microorganisms such as organic acids, antibiotics, enzymes and different proteins. Transgenic animal technology is also developed to obtain superior animals for desired parameters or to have gained new ability to existing animals. Artificial insemination, embryo transfers, and cloning techniques and gene transfer by microinjection into embryo or into nucleus have been applied to obtain genetically superior animals. Achievement of transformation and expression of individual genes in the different organisms lead to biotechnology as an industry branches. The production of therapeutic components has been become main concern using transgenic animals. Key Words: Biotechnology, Gen, Transgenic, Therapeutic Compounds GİRİŞ Biyoteknolojinin, M.Ö yıllarında Sümerlerin ve Babillerin fermantasyon tekniği kullanarak bira yapmaya başlaması ve M.Ö yıllarında Mısırlıların ekmek mayası kullanmalarıyla ortaya çıktığı kabul edilmektedir. Bunu, teknolojinin diğer dallarındaki gelişmelere paralel olarak, yoğurt, ekmek, peynir, antibiyotikler, alkoller, organik asitler, gibi diğer ürünler izlemiştir (Smith, 1996). DNA nın yapısı ve taşıdığı genetik kodun çözülmesinden sonra birçok biyolojik sırrın DNA nın baz diziliminde saklı olduğu anlaşılmış ve moleküler düzeyde çalışmalar başlamıştır. Biyoteknoloji, organizmaların veya onların bileşiklerinin pratik uygulamaları ile ilgilenmektedir. Tarihsel olarak biyoteknoloji, bilimden ziyade bir sanatı, şarapların, biraların ve peynirlerin üretimi ile ilgilenirdi. Günümüzde bir seri ileri teknolojileri olan biyoloji, kimya ve mühendislikler ile ilgilenmektedir. Günümüzdeki uygulamalar; yeni ilaçların üretimi, transgenik bitki ve hayvanların elde edilmesi, biyolojik yakıt elde edilmesi, gen terapileri ve çevre kirliliğini önlemeyi içeren çok farklı araştırma alanlarını kapsamaktadır (Smith, 1996; Kappes, 1999; Gijs ve Harry, 2002; Lyson, 2002; Braun, 2002). Biyoteknoloji kavramı, ilk kez 1919 yılında Karl Erkey tarafından kullanılmıştır. Biyoloji ve teknoloji alanındaki gelişmeler biyoteknoloji kavramının kapsamını genişletmiştir. Biyoteknoloji tarihsel süreç içinde üç döneme ayrılmaktadır (Arda, 1995): 1919 ve 1939 lu yılları kapsayan geleneksel dönem deki bilgi birikimi ve teknolojiyle biyolojik sistemler (bakteri, maya, mantar), herhangi bir değişime tabi tutulmaksızın ekmek, peynir, yoğurt, alkol vb. maddelerin üretilmesinde kullanılmıştır lı ve 1973 li yılları kapsayan ara dönem de genomların da köklü bir değişiklik yapılmaksızın, biyolojik sistemlerin endüstride kullanım alanları genişletilmiş sınırlı tekniklerle fermantasyon teknolojisi kullanarak antibiyotik, enzim, protein ve organik asitler vb. maddelerin üretimi geliştirilmiştir ve sonrası modern biyoteknoloji dönemi gelişmiş ve modern tekniklerin biyolojik sistemlere uygulanmasına ilişkin çalışmaları kapsamaktadır. Böylece, mutasyonlar ya da rekombinant DNA teknolojisi yardımıyla oluşturulan mutantlar veya transgenik organizmalar, endüstride ve diğer alanlarda yoğun biçimde kullanılmaya başlanmıştır. Bu bağlamda 20. Yüzyılın son yıllarında biyoteknoloji, uygulamalı ve disiplinler arası bir alan olarak tanımlanmaktadır. Bu gelişmelere paralel olarak 1982 yılında OECD tarafından biyoteknolojinin tarifi yapılmıştır. Buna göre Biyoteknoloji; temel bilimlerin ve mühendislik ilkelerinin, hammaddelerin biyolojik araçlar yardımı ile ürünlere dönüştürüldüğü süreçlere uygulandığı bir teknolojidir (Arda, 1995; Smith, 1996; Ward, 2000). Biyoteknoloji ve genetik mühendisliği çoğu zaman aynı anlamda kullanılır. Oysa genetik mühendisliği genetik materyaldeki çeşitlendirmeleri ve değişiklikleri ifade ederken, biyoteknoloji, biyolojik bir sistemin yada yapının endüstriyel boyutta kullanılması yoluyla üretim anlamına gelir. Biyoteknoloji, gen mühendisliği yöntemlerini sadece bir araç olarak kullanır. Bu yolla transgenik hayvanlar elde edilmiştir (Wall, 1999; Ward, 2000). Genetik olarak üstün hayvanlar elde etmek için

2 KSÜ. Fen ve Mühendislik Dergisi, 8(2) KSU. Journal of Science and Engineering 8(2)-2005 yapay tohumlama, embriyo transferleri ve embriyo veya hücre çekirdeğine mikroinjeksiyon ile gen transferi ve klonlama, nükleus füzyonu teknikleri uygulamaya geçmiştir (Chesne ve ark., 2002). Bu yolla ekonomik değeri olan aynı zamanda sağlık açısından önemi olan ürünler üreten transgenik organizmalar (Tablo 1-4) elde etme çalışmaları yoğun bir ilgi görmüş ve büyük bir endüstri dalı haline gelmiştir (Kappes, 1999; Smidt ve Niemann, 1999; Wall, 1999; Ward, 2000; Gijs ve Harry, 2002; Faber ve ark., 2003). Tablo 1. Pazarlanan bazı biyoteknolojik ürünler ve dünya ekonomisindeki pazar payları (Cunningham, 1999). Ürün Kullanım alanı Organizma Milyon $/Yıl İnsülin Diyabet Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae 845 İnsan büyüme hormonu Gelişme bozukluklarında E. coli 635 α-interferonlar Kanser, viral enfeksiyonlara karşı E. coli 835 Anti-T-hücre Organ nakillerinde Sıçan yumurta hücresi 300 Hepatit B aşısı Hepatit B yi önleme de S. cerevisiae, E. coli 300 Erythropoietin Anemi Sıçan yumurta hücresi 1000 İnterleukin-2 Kanser E. coli 50 Aynı zamanda önemli proteinler üreten rekombinant mikroorganizmalar elde edilmiş ve elde edilen ürünler piyasaya arz edilmiştir (Tablo 1). Doğal proteinler olarak bilinen somatotropinler veya büyüme hormonları, hayvanların tükettikleri yemi süte veya ete (kasa) çevirmelerine yardımcı olurlar. Rekombinant DNA teknolojisi kullanılarak büyüme hormonları üreten bakteriler geliştirilmiştir. Çok miktarda elde edilen rekombinant büyüme hormonları memeli hayvanların metabolizmasını değiştirmede kullanılmaktadır. In vitro şartlarda elde edilen büyüme hormonu ineklere (12-50 mg) buzağılamadan hafta sonra 3-6 ay süreyle verildiğinde laktasyon süt verimlerinde %22-41 arasında bir artış olduğu ve yemden yararlanmanın %12-14 oranında arttığı gözlenmiştir (Armstrong, 1988) Peynir yapımında kullanılan ve daha önceleri süt emme aşamasında olan kuzu ve buzağıların midelerinden elde edilen kimozin enzimi (rennet veya rennin), günümüzde rekombinant DNA teknolojisi ile mikroorganizmalara ürettirilmektedir. Üretilen peynirlerin yaklaşık %60 nda rekombinant kimozin enzimi kullanılmaktadır (Tanaka ve Yada 1996; Jara ve ark., 1996; Sousa ve Malcata 1997). Laktozsuz süt elde etmek amacıyla mikroorganizmalardan laktaz enzimi elde edilmektedir. Sütün bu enzim ile muamele edilmesi sonucunda süt şekeri laktoz, glükoz ve galaktoza parçalanarak; laktoza duyarlı olan kişiler üzerindeki olumsuz etkileri kaldırılmaktadır (Smith, 1996) HAYVAN ISLAHI VE GENETİK HARİTALAMA Hayvanların ıslahına, verimlerinin artırılmasına, kalitesinin yükseltilmesine ve sağlığına yönelik çalışmaların başlangıcı eski tarihlere kadar uzanmaktadır. Bu amaçla istenilen parametrelere (güçlü yapı, yemden yararlanma, yüksek verim ve hastalıklara karşı dirençlilik) sahip hayvanlar damızlığa ayrılmakta ve sistemli olarak yapılan melezleme ve seleksiyonlarla gelecek nesillerin ebeveynleri belirlenmekte idi. Seleksiyon ve melezleme ile yapılan çalışmalarda birey bir bütün olarak seçildiğinden, iki hayvan arasındaki her bir çaprazlama istenen ve istenmeyen yüz binlerce genin karışmasına olanak tanımaktadır. Bu durumda elde edilen birey bir çok istenilen özelliğe sahip olabileceği gibi istenmeyen bazı özelliklere de sahip olacaktır (Kappes, 1999). Rekombinant DNA teknolojisi ile bir veya daha fazla gen, hayvanların diğer genlerine zarar vermeden embriyoya aktarılabilmektedir. Elde edilen transgenik hayvanlar arzu edilen özellikleri genotiplerinde gösterebilmektedirler. Sığır, koyun, keçi ve domuz genomuna yabancı genler başarıyla uygulanmıştır (Chesne ve ark., 2002; Wall, 2002; Faber ve ark., 2003). Genetik modifikasyon ile fonksiyonu bilinen bir gen bir organizmadan diğerine aktarılmaktadır. Seleksiyon ile çok sayıda fonksiyonu bilinmeyen gen transfer edilmektedir. Fonksiyonel genler bireyde toplam DNA nın %5 inden daha azdır. Yapılan genetik manipulasyonlar ile beklenmeyen özelliklerde organizmalar üretme riski azaltılmakta ve deneme yanılma yoluyla yapılan seleksiyon ile yetiştiricilikteki zaman kaybı azaltılmaktadır. Çiftlik hayvanlarının genomları üzerinde gerçekleştirilen çok sayıda yeni gelişme hayvansal üretimi yakın gelecekte değiştirecek ve geliştirecektir. Sığır, koyun ve domuz gibi bir çok çiftlik hayvanı için genetik haritalar geliştirilmiştir. Bu haritalar bilim adamlarına ekonomik önemi olan özellikleri etkileyen kromozomal bölgelerin tanınmasına (Kappes, 1999; Faber ve ark., 2003) ve bu bilgilerin genetik olarak üstün hayvanların damızlık amacıyla seçilmesine olanak tanımaktadır. Bu yolla sığırlarda; boynuz gelişmesi, kıl rengi, kas hücrelerinin çoğalması (muscle hyperplasia), süt üretimi ve çeşitli hastalıklara karşı hassaslık gibi üretimi etkileyen özelliklerin kromozom üzerinde yer aldığı bölgeler belirlenmiştir. Koyunlarda da aynı şekilde kas hücrelerinin hacminin artması (muscle hypertropy, alınan yemi %30 daha etkin bir şekilde kasa çevirme), yumurta ve spermanın birleşmesi gibi özelliklerin kromozom üzerinde yer aldığı bölgeler belirlenmiştir. (Kappes, 1999). Çiftlik hayvanlarında ekonomik önemi olan özelliklerin bulunduğu bölgeleri

3 KSÜ. Fen ve Mühendislik Dergisi, 8(2) KSU. Journal of Science and Engineering 8(2)-2005 belirlemek için sığırlarda 1425, domuzlarda 1250 ve koyunlarda 500 DNA işareti (marker) geliştirilmiş ve bunlar kullanılarak kantitatif karakterleri etkileyen genlerin kromozom üzerindeki yerleri tespit edilebilmiştir. Yapılan çalışmalar sonucunda haritası çıkarılan gen bölgeleri toplamı sığırlarda 2850, domuzlarda 1774 ve koyunlarda 1245 dir (Kappes, 1999; Cunnigham, 1999; Houdebine, 2000). TRANSGENİK HAYVAN TEKNOLOJİSİ Transgenik hayvanlar gen transferi yoluyla hücrelerinde yabancı genleri taşıyan hayvanlardır. Çiftlik hayvanlarına gen transferinden; hayvanların büyüme parametrelerinin iyileştirilmesi, üreme oranının artırılması, süt üretimi, besin değerinin artırılması ve kompozisyonunun değiştirilmesi (laktozsuz süt, amino asit yapıları değiştirilmiş proteinler vb.), yapağı üretim miktarının ve kalitesinin artırılması, hayvanların yemden yararlanma kabiliyetlerinin artırılması, hastalıklara dirençliliğin yükseltilmesi, transgenik hayvanların organ vericisi haline getirilmesi amaçlanmaktadır (Chesne ve ark., 2002). Ancak, bazı araştırıcılar insan ve hayvan sağlığı açısından çok önemli olan bazı proteinleri ve terapötik maddeleri gen transferi yoluyla hayvanların kanından veya sütünden salgılanarak elde etmeyi amaçlamışlardır (Pursel ve ark., 1989; Bonneau ve Laarveld, 1999; Smidt ve Niemann, 1999; Wall., 2002; Cunningham, 1999; Kappes, 1999; Houdebine,. 2002; Faber ve ark., 2003). Bu amaçlar doğrultusunda çeşitli hayvanlarının embriyolarına çok çeşitli genler transfer edilmiştir (Tablo 2). Tablo 2. Embriyolara gen transferi ve embriyonun yaşama derecesi (Cunningham, 1999) Tür İnjekte Edilmiş Elde edilen Embriyo Sayısı Transgenik (%) Fare Tavşan Sığır Koyun Domuz Mikroinjeksiyon tekniği, şimdiye kadar, çiftlik hayvanlarına gen transferinde başarıyla kullanılan en önemli metottur (Houdebine,. 2002; Renard ve ark., 2002). Bu yöntemde yabancı gen, verici hayvanlardan toplanan döllenmiş yumurtaların çekirdeğine (erkek pronükleusu) 1-10 mikron çapında bir enjektör ile enjekte edildikten sonra alıcı hayvanın uterusuna yerleştirilir. Tüm bir organizmayı klonlamak (kopyalamak) için iki yöntem kullanılmaktadır: 1) Hayvan embriyosunu iki veya daha fazla parçaya bölerek her birinden genetik olarak bir birinin kopyası olan hayvanlar elde etmek. 2) Nükleer transfer metodu ile verici anneden alınan döllenmemiş yumurtanın çekirdeği çıkarılarak kopyalanmak istenen başka bir organizmadan alınan hücrenin çekirdeği bu içi boşaltılmış yumurtaya aktarılarak tüm organizmayı kopyalamak. Böylece yumurta, hücresi alınan hayvanın genetik bilgilerini taşımaktadır (Campbell, ve ark., 1996; Smidt ve Niemann, 1999; Wall, 2002; Houdebine, 2002; Renard ve ark., 2002). Dolly bu yöntemle elde edilmiştir. ÜREMEYE YÖNELİK BİYOTEKNOLOJİK UYGULAMALAR Hayvancılıkta ekonomik üretimi etkileyen en önemli faktörlerin başında döl veriminin iyileştirilmesi gelmektedir. Hayvan yetiştirme programında çoklu yumurta ve embriyo transferi (Multiple Ovulation and Embryo Transfer (MOET)) istenilen genetik ilerlemeyi artırdığı ve generasyonlar arası süreyi kısalttığı bildirilmektedir (Loi ve ark.,1998). X ve Y kromozomu yönünden belirlenmiş spermaların veya embriyoların suni tohumlama endüstrisinde sağlayacağı ekonomik yararlar oldukça önemlidir. Çünkü bu yolla süt sığırcılığı yapan işletmeler dişi buzağı, et sığırcılığı yapan işletmeler erkek buzağı üretimini hedefleyeceklerdir. Erkek veya dişi yavru oluşumunu belirleyen spermatozoidlerdir. Bu konu ile ilgili yöntemler iki sperma hücresi tipinin büyüklük ve yoğunluk bakımından birbirinden farklı olmasına dayanmıştır (Cunningham, 1999). X ve Y kromozomu taşıyan spermalar flow sitometrik yöntemle DNA içeriklerine göre (Sığırlarda X kromozomu Y kromozomundan %2.8 daha fazla DNA içermektedir) başarıyla birbirinden ayrılmıştır (Johnson, 1989). Fare spermalarında X kromozomu ayrımdan sonra yapılan tohumlamalarda döllerin %94 ü dişi; Y kromozomuna göre yapılan ayrımlardan sonra yapılan tohumlamalarda döllerin %81 i erkek olmuştur (Johnson, 1989). SÜTÜN BESİN DEĞERİNİN ARTIRILMASI VE SÜTTE TERAPÖTİK MADDELERİN ÜRETİLMESİ Hayvanlara gen transferinin olası uygulamalarından biri de süt ineklerinden besleyici değeri daha yüksek süt üretmektir. İnek sütüyle beslenen bebekler anne sütünden alması gereken tüm besin maddelerini alamamaktadır. Çünkü, içerik bakımından inek sütü insan sütünden farklıdır. İnsan sütüne yakın süt veren inekler elde etmeye yönelik çalışmalar son yıllarda üzerinde en fazla yoğunlaşılan çalışmalar arasındadır. Aynı zamanda, yetişkinlerde süt şekeri laktoz bazı rahatsızlıklara sebebiyet vermektedir. Bu amaçla laktozsuz süt üretimi üzerinde çalışılmış ve sığır betalaktalbumin geninin çalışması transgenik farelerde mrna antisens oligomer tekniği ile engellenebilmiştir (Bonneau ve Laarveld, 1999). Ruminantlarda (koyun) süt protein sentezini kodlayan genin (beta-laktoglobulin) fare embriyolarına verilmesiyle oluşturulan transgenik farelerin sütlerinde koyun beta-laktoglobulinin üretilmesi başarılmıştır (Simons ve ark., 1987). Bebeklerin gelişmesi için gerekli bir protein olan laktoferrini kodlayan insan geni sığır, embriyosuna mikroinjeksiyon ile transfer edilmiş ve bir transgenik erkek buzağı elde edilmiştir. İnsan

4 KSÜ. Fen ve Mühendislik Dergisi, 8(2) KSU. Journal of Science and Engineering 8(2)-2005 laktoferrin genini taşıyan Herman isimli bu boğadan laktoferrin geni taşıyan 8 buzağı elde edilmiştir (Murray, 1999; Houdebine, 2002). İnsan sağlığının korunmasında ve hastalıklarının tedavisinde ihtiyaç duyulan terapötik maddelerin (Tablo 3) ve bazı proteinlere gereksinimlerinin artması, bu proteinleri ve terapötik maddeleri gen transferi yoluyla hayvanların kanından veya sütünden salgılanarak elde etme konuları üzerinde araştırıcıları yoğunlaşmaya sevk etmiştir (Bonneau ve Laarveld, 1999; Smidt ve Niemann, 1999; Wall., 1999). Tablo 3. Dünyada ihtiyaç duyulan yıllık terapötik maddelerin miktarları ve fiyatları (Wall, 1999). Terapötik Maddeler Kan pıhtılaşma faktörü VIII Kan pıhtılaşma faktörü IX İnsan serum albumin İhtiyaç duyulan tahmini miktar 304 g 4 kg kg Bir gr fiyatı (US$) Yıllık satış (US$) Tablo 4. Terapötik proteinler üreten transgenik hayvanlar ve gen kaynakları (Wall, 1999). Gen Gen Kaynağı Transgenik Hayvan Promoter Bölgesi ve Kaynağı α1 antitrypsin İnsan Koyun β-lactoglobulin, koyun Antithrombin III İnsan Keçi J-Casein, Keçi Eritropoietin İnsan Tavşan β-lactoglobulin, sığır Factor VIII İnsan Koyun β-lactoglobulin, koyun Factor IX İnsan Koyun β-lactoglobulin, koyun Hepatitis B yüzey antijeni İnsan Keçi α-casein, Sığır IGF-1 İnsan Tavşan α-casein, sığır Interleukin-2 İnsan Tavşan β-casein, tavşan Lactoferrin İnsan Sığır α-casein, sığır t-pa İnsan Tavşan α-casein, sığır Bu amaçlar doğrultusunda çeşitli hayvanlarının embriyolarına çok çeşitli terapötik madeleri kodlayan genler transfer edilmiş ve hayvanları bir biyoreaktör gibi kullanma olanağı doğmuştur (Tablo 4). Örneğin, insanlarda kanın pıhtılaşmasında önemli rolü olan pıhtılaşma faktörü IX geni, koyunların betalaktoglobulin genine bağlanarak oluşturulan hibrid gen bileşimi, koyunlara aktarıldığında sütleri ile faktör IX u salgıladıkları tespit edilmiştir (Archibald ve ark., 1989; Murray, 1999; Houdebine, 2000). YAPAĞI KALİTESİNİN ARTIRILMASI Transgenik hayvan teknolojisi ile koyunların yapağı kalitesini artırmaya yönelik bir çok çalışma yapılmıştır (Roger, 1990). Mikroinjeksiyon tekniği ile elde edilen transgenik koyunlarda (İnsulin-benzeri büyüme faktörü 1, fare keratin promoteri ile çalıştırılmış), yapağı veriminde %6.2 lik bir artış sağlamıştır (Damak ve ark., 1996). Koyunlarda yapağı kalitesinin artırılması için ayrıca sistein (cystein) biyosentezinin değiştirilmesi veya üretiminin artırılması yapağı üretim hızını artırmıştır (Su ve ark., 1998; Murray, 1999). HAYVANLARIN SİNDİRİM KAPASİTESİNİN ARTIRILMASI Ruminantların düşük kaliteli bitki materyalini hayvansal ürünlere dönüştürmesi rumende bulunan mikroorganizmalarının bitki polisakkaritleri olan selüloz ve hemiselüloz gibi yapısal maddeleri parçalama kabiliyetlerine bağlıdır. Rumen mikroflorası bitki hücre duvarını parçalayan enzimler üreten çok farklı anaerobik bakteri, fungus ve protozoa gibi mikroorganizmalardan oluşmuştur (Flint ve Forsberg, 1995; Karuse ve ark., 2003). Mikroorganizmalar, hayvanlar tarafından alınan yemin daha iyi değerlendirilmesi ve hayvanların ihtiyaç duyduğu besin maddelerinin sağlanması için de genetik olarak işlenmektedirler (Armstrong ve Gilbert, 1991; Bonneau ve Laarveld, 1999; Karuse ve ark., 2003). BİYOTEKNOLOJİ VE HAYVAN SAĞLIĞI Biyoteknoloji, hayvan sağlığını korumak, ruminant ve tavukların üretkenliğini artırmak için yeni araçlar temin etmektedir. Bu gelişmeler hastalıkların teşhisi, tedavisi, önlenmesi ve diğer problemlerin belirlenmesindeki ilerlemelerden kaynaklanmaktadır. Hastalıkların teşhisi, tedavisi ve kontrolü için yeni testler geliştirmenin yanı sıra, araştırıcılar hayvanları hastalıklardan korumak için biyoteknolojiyi kullanarak aşılar geliştirmektedirler. Genel olarak hastalık etmeni mikroorganizmanın öldürülmüş veya zayıflatılmış formları aşı olarak kullanılmaktadır. Bazen mikroorganizma tam olarak öldürülmediğinde veya yeterince zayıflatılmadığında hastalığı önlemesi beklenen aşı hastalığa sebebiyet verebilir. Genetik olarak elde edilmiş aşılarda hastalığa sebebiyet veren gen bulunmamakta; dolayısıyla rekombinant aşılar vücudun bağışıklık sistemini, hastalık yapma riski olmaksızın geliştirmektedirler (Bonneau ve Laarveld, 1999).

5 KSÜ. Fen ve Mühendislik Dergisi, 8(2) KSU. Journal of Science and Engineering 8(2)-2005 Rekombinant aşılar, şap, yalancı kuduz, dizanteri ve solunum yolu hastalıklarına karşı sığır, tavuk gibi hayvanlar için elde edilmiştir. Viral veya bakteriyel hastalıkların yanısıra parazitik bir hastalık olan bağırsak kurduna (tenya) karşı aşı geliştirilmiştir (Bonneau ve Laarveld, 1999). Biyoteknoloji yetiştiricilere, hızlı bir şekilde DNA ve antikorlara dayalı testler ile brusella, yalancı kuduz, uyuz, şap, deli dana hastalığı (BSE) vb. hastalıkları teşhis etmelerine olanak verir. Sığırlarda enjekte edilebilir ürünler nematodlar ve trematotlarıda içeren 36 farklı internal ve eksternal parazitlere karşı korumak için kullanılmaktadır. Genetik haritalama yoluyla hastalıklara dirençli hayvan genotipleri belirlenip yetiştirme programlarına alma imkanı doğmuştur. Tavuklarda genetik haritalama yoluyla ve geliştirilen DNA markırları kullanılarak Marek hastalığına karşı dirençi geliştiren genler belirlenmiştir (Kappes, 1999). Damızlık dışı erkek hayvanlarda hırçınlığı önlemek için cerrahi kastrasyon yerine aşı geliştirilmiştir (Houdebine, 2000; Smidt ve Niemann, 1999). Biyoteknolojiye dayalı hayvan sağlık ürünleri, 2001yılında 2.8 milyar dolar, 2005 yılında da 5.1 milyar dolara ulaşacağı tahmin edilmektedir yılı sonunda 197 farklı hayvan hastalığını tedavi etme ve koruma için 2494 adet farklı biyolojik madde üretilmiştir. ORGAN VERİCİLER Hayvanlar genellikle araştırmalar için model olarak kullanılmaktadırlar. Hayvanlar için geliştirilen bir çok teknoloji insanlara da transfer edilebilmektedir. Hayvanlarla yapılan bir çok çalışma insan sağlığında ilerlemeler sağlamaya yardımcı olmaktadır. Organ nakilleri için dünyadaki organ kısıtlılığını ortadan kaldırmak ve hayvanları insanlar için birer kan veya organ vericisi haline getirilmesinde yoğun araştırmalar yapılmaktadır. Bir çok hayvan türünün insanlar için organ verici olarak kullanması uzun zamandan beri üzerinde durulan bir konudur. Bu işleme Xenotransplantasyon adı verilir. İlk transplantasyon 1905 yılında Fransız bir cerrah tarafından tavşan karaciğerinin bir parçası insana aktarılmak suretiyle yapılmıştır. Göz önünde bulundurulması gereken en önemli husus, hayvan organlarının insan bağışıklık sistemi tarafından kabul edilip edilmemesidir. Yani doku uyuşmazlığıdır. Dokuların uyuşmazlığını önlemek için hayvanlara insan genetik materyalinin aktarılması ile bu sorunun önüne geçileceği tahmin edilmektedir. Ayrıca bağışıklık sistemi tarafından organların reddedilmesini önlemek için reddetmeyi sağlayan genin inaktif kopyalarının transgenik hayvanlarda üretilmesi başarılmıştır (Pintado ve Gutierrez-Adan, 1999; Ward, 2000). Hayvan organlarının kullanılmasında en büyük risk, hayvanlarda bulunan bulaşıcı hastalıkların transplant organlar vasıtasıyla insanlara bulaşmasıdır. Retroviruslerin kültüre alınan insan hücrelerini in vitro koşullarda enfekte ettiği gözlenmiştir (Wall, 1999; Ward, 2000; Faber ve ark., 2003) yılında 160 kişiye domuz hücreleri verilmiştir. Domuzlara ait kalp kapakçıkları kalp hastalarında yoğun bir şekilde kullanılmaktadır. TAVUKLARA YÖNELİK UYGULAMALAR Tavukların büyümelerini ve verimlerini artırmak, besin maddelerince zenginleştirilmiş kanatlı ürünleri geliştirmek, hastalıklara dirençli yeni nesiller yetiştirmek, kromozom ve gen haritalarını çıkarmak, yeni ve önemli karakterler kazandırılmış fenotipler geliştirmek gibi genetik konular üzerinde yoğun çalışmalar yapılmaktadır. Aynı zamanda tavuk yumurtalarından bazı hastalıklara karşı aşı üretimi de yapılmaktadır (Burt ve ark., 1995; Zajchowski ve Etches, 2000; Ivarie, 2003). Retrovirüs vasıtasıyla blastoderm safhasındaki embriyo kullanılarak transgenik tavuk elde edilebilmektedir. Transfer edilmek istenilen geni taşıyan retrovirüsler yeni yumurtlanmış yumurtanın embiryosuna mikropipetler ile enjekte edilir. Enjeksiyondan sonra yumurtada açılan delik taze yumurta zarı ile kapatılır ve onun üzeride plastik koruyucu yapıştırılır. Dikkat edilmesi gereken en önemli hususlardan biri enjeksiyon ve kapağın kapanması esnasında hava kabarcıklarının oluşmamasıdır. Kapatılan yumurtalar kuluçkaya konur ve daha sonra G0 safhasında transgenik hayvanlar elde edilir. (Zajchowski ve Etches, 2000; Singera ve ark., 2000; Deepak Sharma ve ark., 2001). Kromozomal DNA üzerindeki göz rengi, tüy rengi (Süs için) ve deri rengi gibi özellikleri kodlayan genlerle oynanarak değişik fenotiplerde kanatlı elde etmek mümkün olmuştur. Tavuklarda, kendi türleri dışındaki organizmalara ait bazı genler transfer edilerek de çeşitli çalışmalar yapılmıştır. E.coli ye ait beta-galaktozidaz genini kodlayan gen retrovirüs kullanılarak tavuk embiryosuna transfer edilerek gen çalıştırılmıştır. (Mozdziak ve ark., 2003). Yumurtaların normal bileşikleri değiştirilerek büyüklükleri veya fonksiyonel özelliklerini artırarak tavukları bir biyorektör gibi kullanmak imkan dahiline girmiştir. Özellikle insan sağlığı açısından önemli olan bazı terapötik ürünler yumurta içerisinde üretilebilir. Lizozim kodlayan gen bu yolla tavuklara aktarılmış ve taransgenik tavuklar elde edilmiştir (Sang, 1994). Çıplak boyunluluk geni ve sıcaklılığa dayanıklılık arasındaki ilişkiden gidilerek sıcak bölgeler için çıplak boyunlu hayvanlar üzerinde çalışmalar yapılmıştır. Genetik manipulasyonlarla da tamamen tüysüz hayvanlar elde edilmiştir. REKOMBİNANT ENZİMLERİN KANATLI BESLEMEDE KULLANIMI Monogastrik hayvanlar, bitki polisakakritlerinin hidrolizi için sindirim sistemlerinde gerekli olan enzimlere sahip değildirler; bu da, hayvanlar özellikle hububat ağırlıklı yemlerle (örn; arpa) beslendiklerinde bazı klinik sindirim bozukluklarına (örn; yapışkan dışkı) sebebiyet vermektedir (Bedford ve Classen, 1992). Rekombinant (glükanaz, ksilanaz, fitaz gibi) enzimler

6 KSÜ. Fen ve Mühendislik Dergisi, 8(2) KSU. Journal of Science and Engineering 8(2)-2005 monogastrik hayvanların rasyonlarında kullanılmaktadır. Bu enzimlere genellikle β-glükanaz, pektinaz, amilaz ve proteazlar da eklenmektedir (Graham ve Inborr, 1992). Bu ürünlerin eklenmesi hızlı büyümeyi ve yüksek düzeyde üretimin sağlanmasına yardımcı olmakta (Philip ve ark., 1995; Karuse ve ark., 2003), ve bağırsaklardaki viskoziteyi azaltarak besin maddelerinin bağırsaklarda daha serbest hareket etmesini sağlayarak; enzimatik hidrolizin daha etkili olmasını ve buna bağlı olarak besinlerin bağırsaktaki emiliminin armasını sağlamaktadırlar (Graham ve Inborr, 1992; Bedford ve Classen, 1992; Philip ve ark., 1995). Alternatif olarak, üzerinde durulan diğer bir yaklaşımda; genetik olarak manipule edilerek istenilen enzimleri taşıyan rekombinant mikroorganizmaların (örn. Lactobacillus) hayvanlara doğrudan verilmesi ve bağırsaklarda kolonize olması ve orada kendi enzimini üretmesidir. SONUÇ Gelecekte, genetik olarak değiştirilmiş çiftlik hayvanları, üretimin artırılmasına katkısının yanında tüketiciye daha sağlıklı hayvansal üretim sağlayabilir. Tahmini olarak daha düşük yağlı, kolesterollü, yem katkı maddesi ve ilaç atıkları içermeyen ürünler tüketiciye sağlanabilir. Çiftlik hayvanları, İnsan ve hayvan beslemede, sağlık korumada, hastalıkların teşhis ve tedavisinde kullanılacak terapötik maddeleri üreten birer biyoreaktör haline gelebilir (Lyson, 2002; Braun, 2002). Dünya ticaretinde biyoteknolojik ürünlerin pazar payı hızla artmaktadır. Modern biyoteknoloji yöntemleri ile elde edilen ürünlerin yaklaşık %74 ABD, %15 Arjantin, %10 Kanada da üretilmektedir. Tüketicilerin büyük çoğunluğu ise üçüncü dünya ülkeleri veya gelişmekte olan ülkelerdir. Bu nedenle bu teknolojik ve bilimsel gelişmeler karşısında sağlık, çevre ve etik bakımdan toplumun bilinçlenmesi ve hükümetler tarafından gerekli yasal düzenlemelerin yapılması kaçınılmazdır (Lyson, 2002; Braun, 2002) yılında 8, 2010 yılında 25 milyar dolarlık bir pazar hacmine sahip olması beklenen biyoteknolojik ürünlerde pay sahibi olabilmek için kendi biyoteknolojik alt yapımızın oluşturulmasında, üniversite ve özel sektörün işbirliği gerekmektedir. KAYNAKLAR Archibald, A., Simmons, P., Wilmut, I., Clark, J Transgenesis-A New Way to Better Lifestock. Agric. Food Res. Counc. News, 7: Arda, M Biyoteknoloji (Bazı Temel İlkeler). KÜKEM Derneği Bilimsel Yayınları 3, Ankara, 7s. Armstrong, D.G The Implications of Biotechnology for Livestock Production, Nutrition, and Health. Nutr. Abstr. Rev., 58: Armstrong, D.G., Gilbert, H.J The application of biotechnology for future livestock production. (Physiological Aspects of Digestion and Metabolism in Ruminants: Proceedings of the Seventh International Symposium on ruminant Physiology, Academic press, UK: Ed. Tusuda, T., Sasaki, H., Kawahima, R.) Bedford, M. R., Classen, H. L The influence of dietary xylanase on intestinal viscosity and molecular weight distribution of carbohydrates in rye-fed broiler chicks. (Xylan and xylanases, Progress in biotechnology 7, Elsevier, UK: Ed. Visser, J., Beldman, G., Kusters-van Someren, M.A., Voragen, A.G.J.) Burt, D.W., Bumstead, N., Bitgood, J.J., Ponce de Leon, F.A., Crittenden, L Chicken Genome Mapping: A New Era in Avian Genetics. Trends in Genetics, 11: Bonneau, M. Laarveld, B Biotechnology in Animal Nutrition, Physiology and Health. Livest. Pro. Sci. 59: Braun, R People s Concerns About Biotechnology: Some Problems and Some Solutions. J. Biotechnol., 98: 3 8 Campbell, K.H., McWhir, J., Ritchie, W. A., Wilmut, I Sheep Cloned by Nuclear Transfer from A Cultured Cell Line. Nature, 380(6569): Chesne, P., Adenot, P.G., Viglietta, C., Baratte, M., Boulanger, L., Renard, J-P Cloned Rabbits Produced by Nuclear Transfer from Adult Somatic Cells. Nature Biotechnol., 70: Cunningham, E.P The Application of Biotechnologies to Enhance Animal Production in Different Farming Systems. Livest. Pro. Sci., 58: 1-24 Damak, S., Su. H., Jay, N.P., Bullock, D.W Improved Wool Production in Transgenic Sheep Expressing Insulin-like Growth Factor 1. Bitechnology, 14: Deepak Sharma, L., Appa Rao, K.B.C., Singh, R.V. Totey, S.M Genetıc Dıversıty Among Chıcken Breeds Estimated Through Randomly Amplıfıed Polymorphıc DNA. Anim. Biotechnol., 12: Faber, D.C., Molina, J.A., Ohlrichs, C.L., Vander Zwaag, D.F., Fere, L.B Commercialization of Animal Biotechnology. Theriogenology, 59: Flint, H.J., Forsberg, C.W Polysaccharide degradation in the rumen: Biochemistry and genetics. (Ruminant Physiology: Digestion, Metabolism, Growth and Reproduction: Proceedings of the Eighth International Symposium on Ruminant Physiology, Ferdinand Enke Verlag press: Ed. Engelhardt, W.V., Leonhard-Marek, S., Breues and D. Geiesecke, G.) 43-66

7 KSÜ. Fen ve Mühendislik Dergisi, 8(2) KSU. Journal of Science and Engineering 8(2)-2005 Gijs, A.K., Harry, A. K Considerations for the Assessment of the Safety of Genetically Modified Animals Used for Human Food or Animal Feed. Livestock Produc. Sci., 74: Graham, H., Inborr, J Application of xylanasebased enzymes in commercial pig and poultry production, (Xylan and xylanases, Progress in biotechnology 7, Elsevier, UK: Ed. Visser, J., Beldman, G., Kusters-van Someren, M.A., Voragen, A.G.J.) Houdebine, L.M Transgenic Animal Bioreactors. Transgenic Res., 9: Houdebine, L.M The Methods to Generate Transgenic Animals and to Control Transgene Expression. J. Biotechnol., 98: Ivarie, R Avian Transgenesis: Progress Towards the Promise. TRENDS in Biotechnol., 21: Jara, P., Gilbert., Delmans, P., Guillemot, J-C., Kaghad, M., Ferrara, P., Lloison, G Cloning and Characterization of the eapb and eapc Genes of Cryphonectria Parasitica Encoding Two New Acid Proteinases, and Disruption of eapc. Mol. Gen. Genet., 250: Johnson, L.A Sex Pre-selection in Rabits Live Births from X and Y Sperm Separated by DNA and Cell Sorting. Biol. Reprod., 41: Kappes, S.M Utilization of Gene Mapping Information in Livestock Animals. Theriogenology, 51: Krause, D.O., Denman, S.E., Mackie, R.I., Morrison, M., Rae, A.L., Attwood, G.T., McSweeney, C.S Opportunities to Improve Fiber Degradation In The Rumen: Microbiology, Ecology, and Genomics. FEMS Microbiol. Rev., 27: Loi, P., Ptak, G., Dattena, M., Ledda, S., Naitana, S., Cappai, P Embryo Transfer and Related Technologies in Sheep Reproduction. Reprod. Nutr. Dev., 38: Lyson, T.A Advanced Agricultural Biotechnologies and Sustainable Agriculture. TRENDS in Biotechnol., 20: Murray, J.D Genetic Modification of Animals in the Next Century. Theriogenology, 51: Mozdziak, P.E., Borwornpinyo, S., McCoy, D.W. Petit, J.N Development of Transgenic Chickens Expressing Bacterial β-galactosidase. Develop. Dynamıcs, 226: Pintado, B., Gutierrez-Adan, A Transgenesis in Large Domestic Species: Future Development for Milk Modification. Reprod. Nutr. Dev., 39: Philip, J.S., Gilbert, H.J., Smithard, R. R Growth, Viscosity and Beta-glucanase Activity of Intestinal Fluid in Broiler Chickens Fed on Barley-based Diets With or Without Exogenous Beta-glucanase. British Poultry Sci., 36: Pursel, V., Miller, K.F., Bolt, D.J., Pinkert, C.A., Palmiter, R.D., Brinster, R.L Insertion of growth hormone genes into pig embryos. (Biotechnology in Growth Regulation, London, England: Ed. Heap, R.B., Prosser, C.G., Lamming, G.E.) Renard, J.P., Zhou, Q.L, LeBourhis, D., Chavatte- Palmer, P., Hue, I., Heyman, Y Nuclear Transfer Technologies: Between Successes and Doubts. Theriogenology, 57: Roger, G.E Improvement of Wool Production Through Genetic Engineering. TRENDS in Biotechnol., 8: 6-11 Sang, H Transgenic Chickens; Methods and Applications. TRENDS in Biotechnol., 12: Singera,R.S., Jeffrey, J.S., Carpenter, T.E., Cooke, C.L., Atwill, E.R., Johnson, W.O., Hirsh, D.C Persistence of Cellulitis-associated Escherichia coli DNA Fingerprints in Successive Broiler Chicken Flocks. Vet. Microbiol., 75:59-71 Simons, J.P., McClenaghan, M., Clark, A.J Alteration of the Quality of Milk by Expression of Sheep β-lactoglobulin in Transgenic Mice. Nature, 328: Smidt, D., Niemann, H Biotechnology in Genetics and Reproduction. Livest. Pro. Sci., 59: Smith, J.E Biotechnology, 3rd ed., University Press, Cambridge UK, 1-25p. Su, H.Y., Jay, N.P., Gourly, T.S., Kay, G.W., Damak, S Wool Production in Transgenic Sheep: Result from First Generation Adults and second Generation Lambs. Anim. Biotechnol., 9: Sousa, M.J., Malcata, F.X Comparison of Plant and Animal Rennets in Terms of Microbiological, Chemical, and Proteolysis Characteristics of Ovine Cheese. J. Agric. Food Chem., 45: Tanaka, D., Yada, R.Y Expression of Soluble Cloned Porcine Pepsinogen A in Escherichi coli. Biochem. J., 315: Wall, R.J New Gene Transfer Methods. Theriogenology, 57: Wall, R.J Biotechnology for the Production of Modified and Innovative Animal Products: Transgenic Livestock Bioreactors. Livest. Pro. Sci., 59: Ward, K.A Transgene-mediated Modifications to Animal Biochemistry. TRENDS in Biotechnol., 18: Zajchowski, L.D., Etches, R.J Transgenic Chickens: Past, Present and Future. Avian and Poult. Biol. Rev., 11: 63-80