C H A P T E R 1 Biyoteknolojiye Giriş Aslı Sade Memişoğlu PowerPoint Lecture by: Melissa Rowland-Goldsmith Chapman University
İçerik 1.1 Biyoteknoloji nedir? 1.2 Biyoteknolojinin türleri 1.3 21. yy da biyolojik zorluklar 1.4 Biyoteknoloji işgücü
1.1 Biyoteknoloji nedir? Biyoteknoloji canlı organizmaları veya onların ürünlerini insanlık yararına kullanarak, bir ürün elde etmek veya problemi çözmektir Tarihsel örnekler Fermentasyon Bitki/hayvan ıslahı = yapay seçilim Antibiyotik kullanımı
1.1 Biyoteknoloji nedir? Biyoteknoloji örnek Yapay seçilim (a) (b) Normal zebra balığı "Casper" zebra balığı yapay seçilimle üretilmiş Casper balığı kanser hücrelerinin göç etme özelliklerini çalışmak için normal zebra balığına göre çok daha kullanışlıdır. Sizce neden?
1.1 Biyoteknoloji nedir? UYGULAMALAR Bu ağaca dayanarak, sadece biyoloji çalışarak biyotek endüstrisinde başarılı olabilir misiniz? Tespit Adli tıp DNA parmak izi Hastalık DNA tespiti Tür üyelerinin tespiti Çevre ve Su Tarım Biyoremediasyon Transgenik değişimler Biyoekstraksyon İlaç/Sağlık Biyofarma Gen tedavisi Gen susturma denemeleri Fermentasyon teknolojisi Tarım biyoteknolojisi Trangenik ürünler Tohumların DNA takibi Transgenik hayvanlar Biyoloji ve biyoinformatik analizler yoluyla Genetik Mühendisliği Düzenleme/Onay/denetim ABD gıda ve ilaç kurumu Çevre Koruma Derneği ABD Tarım Dairesi İş güvenliği ve sağlık kurumu İlaç geliştirme Biyoinformatik Yüksek girdili tarama Hücre kültürü ve insan deneyleri İnsan, hayvan, bitki fizyolojisi Matematik Moleküler ve hücre biyolojisi Genetik Fizik Bilgisayar bilimi Kimya mühendisliği İmmünoloji İstatistik Mikrobiyoloji Biyokimya
1.1 Biyoteknoloji nedir? Modern Örnekler Gen klonlama Genetik mühendisliği Rekombinant DNA teknolojisi İnsan genom projesi
1.1 Biyoteknoloji nedir? Rekombinant DNA teknolojisi, biyoteknolojiyi bir endüstriye dönüştürmüştür Uygulama örnekleri Hastalığa dayanıklı bitki geliştirilmesi Daha verimli tarım ürünleri geliştirme «altın pirinç» besin değeri mühendislikle artırılmış Çevre kirliliğine yol açan maddeleri parçalayan genetiği değiştirilmiş bakteriler Hayal kuralım?
1.1 Biyoteknoloji nedir? Aşağıdaki 2 kromozom üzerinde çeşitli hastalıklara yol açan gen bölgeleri belirtilmiştir Aşağıdaki adresten tüm kromozomlarda bilinen bu tip bölgeler incelenebilir http://ghr.nlm.nih.gov/chromosome
1.1 Biyoteknoloji nedir? Çoğu ilaç insanları etkileyen hastalıklarla mücadele için geliştirilmektedir Neden? En fazla ilaç adayı hangi hastalık için geliştirilmiştir? Neden?
1.1 Biyoteknoloji nedir? İstenilen proteini üretmek için genetiği değiştirilmiş hücreler kullanılır Fermentasyon ünitesinde büyütülen hücreler ilgili proteini üretir İlgili gen Hücreler kültür kaplarında büyütülür Bakteri veya memeli hücresine aktar İlgili geni içeren hücreler fermentasyon ünitesinde büyütülür İlgili rekombinant protein, hücrelerden biyokimyasal tekniklerle ayrıştırılır
1.1 Biyoteknoloji nedir? Modern biyoteknoloji ürünleri Gen klonlama ile üretilen proteinlere rekombinant protein denir Ürün Pıhtılaşma faktörü VIII Epidermal büyüme faktörü Büyüme hormonu İnsülin Gen klonlama ile üretilen proteinler Kullanım alanı Hemofili tedavisi Bağışıklık sistemi problemlerinde antikor üretimini sağlar İnsanlarda hipofiz eksikliklerinde ve boy kısalığında, ineklerde süt üretimini artırmak için Diyabet tedavisi İnterferon İnterlökin Monoklonal antikorlar Doku iplazminojen aktifleştirici Kanser ve virüs enfeksiyonlarında Kanser tedavisi ve antikor üretimi Artrit ve kanser dahil çeşitli hastalıkların tanı ve tedavisinde Kalp krizi ve felç tedavis
1.2 Biyoteknoloji türleri Mikrobiyal Biyoteknoloji Tarım Biyoteknolojisi Hayvan Biyoteknolojisi Adli Biyoteknoloji Biyoremediasyon Su Biyoteknolojisi Tıbbi Biyoteknoloji Düzenleyici Biyoteknoloji
1.2 Biyoteknoloji türleri Mikrobiyal Biyoteknoloji Maya ve bakteri gibi mikroorganizmaların değiştirilmesi Daha iyi enzimler üretmek Endüstriyel atıkların temizlenmesi için daha verimli arıtma sistemleri İnsan sağlığında kullanılan önemli proteinleri büyük miktarlarda üretmek ve klonlamak
1.2 Biyoteknoloji türleri Tarım biyoteknolojisi 2050 de 9.1 milyar kişinin beslenmesi gerekeceği tahmin ediliyor! Bu durum gıda üretiminin %70 artırılmasını gerektirir! Neler yapılabilir?
1.2 Biyoteknoloji türleri Tarım biyoteknolojisi Daha çevre dostu ve verimli genetiği değiştirilmiş bitkiler Hastalık ve böceklere dayanıklılık Yüksek protein ve vitamin içerikli besinler Bitki ürünü olarak geliştirilip büyütülebilen ilaçlar Bu geliştirilmiş bitkiler üretim maliyetlerinin düşmesi ve artan nüfusu beslemeye yardım eder
1.2 Biyoteknoloji türleri Sizce bu bitkilerin geliştirilmesi, biyoyakıt amaçlı kullanılacak tarım ürünleri için yeterli tarım alanı açılmasını da sağlayabilir mi?
1.2 Biyoteknoloji türleri Hayvan biyoteknolojisi Hayvanlar tıp açısından değeri olan proteinlerin kaynağı olarak kullanılır. Antikorlar Transgenik hayvanlar Hayvanlar temel araştırmalarda önemli modellerdir Gen susturma deneyleri İlaç ve gen tedavilerinin tasarım ve denenmesi Hayvan klonlama Transplant organlar için kaynak
1.2 Biyoteknoloji türleri Hayvan biyoteknolojisi transgenik hayvan: kendi genomu dışında dışarıdan gen nakledilmiş hayvan. İnsanlarda kullanılmak üzere yüksek miktarda tedavi amaçlı protein üretimi Dişi transgenik hayvanlar bu proteinleri sütlerinde üretmek üzere tasarlanmıştır Ör: pıhtılaşma proteini üreten insan genleri dişi keçilere nakledilerek bu proteinleri sütlerinde üretirler
1.2 Biyoteknoloji türleri Hayvan biyoteknolojisi Gen susturma: Hayvanda bir genin ifadesi engellenir ve bunun sonucunda oluşan değişiklikler gözlemlenir Araştırmacılar bu sayede genin işlevi ile ilgili bilgi edinir Fare ve sıçanla insanların genetik benzerliği sayesinde bu hayvanlarda yapılan çalışmalar, insan genleri ile ilgili bilgi verir Bir farede hangi geni susturmak isterdik?
1.2 Biyoteknoloji türleri Adli biyoteknoloji DNA parmakizi Bir kişinin şüpheli listesine dahil edilmesi veya elenmesi Babalık vakaları İnsan kalıntılarının tespiti Soyu tükenme tehlikesi olan türler Hastalık yayılmasının takibi ve doğrulanması
Şüphelinin kanı Şüphelinin kıyafetlerinden alınan kan Kurbanın kanı 1.2 Biyoteknoloji türleri Adli biyoteknoloji Bu jeldeki DNA sonuçlarına dayanarak şüpheli kişi suçlu mudur? https://www.youtube.com/ watch?v=vtxb6tr8y3s https://www.youtube.com/ watch?v=3g7enha-owk Kot Gömlek
1.2 Biyoteknoloji türleri Biyoremediasyon Çeşitli doğal ve insan yapımı maddenin ayrıştırılması ve parçalanması için biyoteknolojinin kullanılması Özellikle çevre kirliliğine yol açan maddeler Ör: Ham petrolün içeriğini ayrıştıran bakterilerin büyütülmesi 1989 Alaska da Exxon Valdez petrol dökülmesi 2010 Deep Water Horizon dökülmesi petrolü ayrıştıran organizma ve enzimlerin araştırılmasını tetikledi
1.2 Biyoteknoloji türleri Biyoremediasyon Döküle petrolü temizleyecek olan bakterilerin büyümesini tetikleyen besinlerin eklenmesi
1.2 Biyoteknoloji türleri Su biyoteknolojisi Aquakültür Besin kaynağı olarak kullanılmak üzere yüzgeçli veya kabuklu balıkların kontrollü büyütülmesi İnsanlarca tüketilen balıkların %50 si Genetik mühendislik Hastalığa dirençli midyeler Somon ve diğer yüzgeçli balıkları enfekte eden virüslere karşı aşılar Büyüme hormonu üreten transgenik somon http://www.webmd.com/food-recipes/news/20100922/geneticallyengineered-salmon-faq Biyo arama: insan yararına zengin ve değerli gen, protein ve metabolik süreçlerin bulunması Deniz planktonu ve salyangozlarının zengin anti kanser molekül kaynağı olduğu ortaya çıkarıldı
1.2 Biyoteknoloji türleri Su biyoteknolojisi Neden fazla büyüme hormonu üreten somon? transgenik normal Bunun ne gibi yararları olabilir?
1.2 Biyoteknoloji türleri Tıbbi biyoteknoloji Tıp ile ilgili her alana dahildir Önleyici tıp Sağlık ve hastalık tanısı Hastalıkların tedavisi İnsan genom projesinden gelen yeni bilgiler Gen tedavisi Kök hücre teknolojisi
1.2 Biyoteknoloji türleri Kök hücre Labda büyütülür ve belirli kimyasallar ile muamele edilerek nakil yapılacak doku tiplerine gelişmeleri sağlanır Günümüzde kullanım: deri nakli, kan kök hücreleri, kornea (yeni) Araştırma aşamasında: Diyabet ve omurilik yaralanmalarında kullanılmakta Başka hangi hastalıklarda kullanılabilir?
1.2 Biyoteknoloji türleri Tıbbi biyoteknoloji Genler ve DNA tüm haberlerde çıkar
1.2 Biyoteknoloji türleri Düzenleyici biyoteknoloji Kalite güvencesi Bir ürünün kalitesini düzenleyen tüm işlemler Kalite kontrol İstikrarlı ürün standartlarını sağlamak için yapılan lab testleri ve izleme süreçleri. Bu sayede biyoteknoloji ürünlerinin saflık ve performans açısından katı standartları sağladığından emin olunur.
1.3 21. yy zorlukları Önümüzdeki yıllarda tıbbi biyoteknoloji hayatlarımızı nasıl değiştirecek? 1. İnsan genom projesi İnsan genleri ve bunları kontrol eden faktörlerin araştırılması 2. İnsan proteomu Bir insan hücresinde belirli bir zamanda üretilen tüm protein ağı
1.3 21. yy zorlukları 3. Tek nükleotit polimorfizmleri (SNPs) Bireyler arasında farklılık gösteren DNA dizilerinde bir bazlık değişimler (mutasyonlar) Bu değişimler bazı hastalıkların sebebidir (orak hücre anemisi) Ayrıca SNPler artrit, felç, kalp hastalıkları, diyabet, davranış veya duygu bozuklukları gibi durumlarda rol alan genlerin belirlenmesinde yararlı olmaktadır.
1.3 21. yy zorlukları SNP ve meme kanseri örneği BRCA1 ve BRCA2 genlerinde meme kanserini artıran SNPlerin tespiti, bu mutasyonlara sahip kişilere özel tedaviler geliştirilmesini sağladı Ailesinde bu mutasyona sahip ve meme kanseri teşhisi konmuş kişiler için nasıl bir yarar sağlayabilir?
1.3 21. yy zorlukları 4. Farmakogenomik kişselleştirilmiş tedavi Hastanın genetik profiline göre ilaç tedavisi belirlemek Mikroarray analizi yapılır ve mutasyona uğramış genlere göre tedavi belirlenir 5. Metabolomik Hücre metabolizması sırasında üretilen moleküllerin bir fotoğrafı Glukoz, kolesterol, ATP, ve sinyal molekülleri Bu sayede hastalık durumu ile fizyolojik adaptasyon ayırt edilebilir
1.3 21. yy zorlukları 6. Nanoteknoloji Çok küçük boyutlardaki yapıları içeren uygulamalar Hücrelere ilaç taşıyabilen küçük sistemler İlaç içeren lipid nano parçacığı
1.3 21. yy zorlukları Gen tedavisi teknolojisi Hasarlı genleri normal kopyalarıyla değiştirmek veya onarmak Güvenli ve etkili olabilmesi için halen bazı engeller bulunmakta: Normal gen vücudun tüm hücrelerine nasıl ulaştırılır? İnsanlarda ekstra verilen bu genlerin uzun vadeli etkileri nelerdir? Genler vücuda verildikten sonra doğru proteinin üretildiğinden emin olmak için ne yapılmalı?
1.3 21. yy zorlukları Kök hücre teknolojisi Kök hücreler farklı hücre tiplerine dönüşebilen olgunlaşmamış hücrelerdir Çoğu kök hücre embriyodan elde edilir (EKH) fakat bir embriyonun ölümünü içerdiği için tartışmalıdır Bazı kök hücreler yetişkinlerden elde edilir Neden embriyo kök hücreleri tercih edilmektedir?
1.3 21. yyda biyoteknoloji EKHler tüm hücre tiplerine farklılaşabilir EKH Pekçok hücre tipine farklılaşabilir Karaciğer KAs Deri Alyuvar akyuvar Nöron Kemik Hasarlı dokuyla değişmesi için nakil
1.3 21. yy zorlukları 7. Rejeneratif tıp Genetik hastalıkları tedavi etmek için hastanın kök hücrelerinin genetik olarak değiştirilmesi Gelecekte bilim adamları 1. Genetik hastalığı olan bir kişiden kök hücre alabilecek 2. Gen tedavisi yöntemleriyle bu hücrelerin genomunu değiştirecek 3. Hücreleri tekrar hastaya vererek genetik hastalığı tedavi etmesini sağlayabilecek
1.4 Biyoteknoloji iş gücü Biyoteknoloji küresel bir endüstridir Dnya çapında $63 milyar gelir getirmekte $40 milyar ABD de biyolojik ilaçların satışı ABD de biyoteknoloji şirketleri
1.4 Biyoteknoloji iş gücü Bir ilaç firması ile biyotek firması arasındaki farklar İlaç firmaları ilaç geliştirir (kimyasal olarak sentezler veya saflaştırır) İlaç firmaları bir ürünü elde etmek için canlı organizma kullanmaz Biyotek firması ilaç üretecekse canlı organizma kullanır Biyotek firması aynı zamanda başka ürünler de üretir
1.4 Biyoteknoloji iş gücü Biyoteknoloji iş imkanları ARGE: Klinik öncesi, keşif araştırma, biyoinformatik, lab güvenliği Operasyon: süreç/ürün geliştirme,üretim Kalite kontrol Klinik araştırma Maliye ve yönetim