Biyoloji Araştırmaları, Moleküler Boyutu ve Önceliklerimiz Prof. Dr. Nermin Gözükırmızı İstanbul Üniversitesi Fen Fakültesi, Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü nermin@istanbul.edu.tr, http://www.istanbul.edu.tr/fen/mbg/personel.php?id=30 Biyoloji eski Yunanca da bio, hayat"; ve logos, kavrama" Hayatı kavrama anlamına gelmektedir., Doğal Bilimlerin bir bölümü olup, Canlı organizmalar, onların çevre ile ilişkileri, sınıflandırılması, yapı, işlev, büyüme, köken, evolüsyon ve dağılımlarını araştırır. Hücre teorisi, evolüsyon, genetik ve homostasis ile ilgilenir. Ayrı bir bilim dalı olarak 19.yüzyılda tanımlanmıştır. Botanik, zooloji, mikrobiyoloji, biyokimya, moleküler biyoloji, hücre biyolojisi, fizyoloji, ekoloji gibi alanları vardır. İnsanın Evolüsyonu; yaklaşık 200. 000 yıl önce başlamış ve yerleşik düzene geçişle 10. 000 yıl önce ziraat devrimi başlamıştır. İnsanın kültür evolüsyonu ise 3.000-4.000 yıl önce yazılı dili ve alfabeler ile oluşmuştur. 600 yıldır kitaplar bulunmaktadır ve son 50 yıldır elektronik ortam yaşamımızı etkilemektedir. Biyoloji araştırmalarının gelişmesi teknolojik gelişmelerle yakından ilgilidir. Mikroskobun Lovenhook tarafından bulunması, hücre yapısını ve eşem hücrelerinin izlenmesi için bir araç olmuştur. Bu yolla canlının özelliklerini kazanmasında anne ve babanın eşit rolleri olduğu anlaşılmıştır. Mendel (1866) bezelyelerle yaptığı deneylerin melezleme deneylerinin sonuçlarını matematiksel verilerle açıklayarak Genetik biliminin temellerini atmıştır. Schleiden ve Schwann (1866) hücre teorisini ortaya sürerek tüm canlıların hücrelerden yapıldığını bunların bir tür temel yapı taşı olarak tüm canlıyı oluşturma yetenekleri olduğunu bildirmişlerdir. Darwin in (1859) Galapagos adalarına yaptığı seyahat sonrası ileri sürdüğü evolüsyon teorisi, Lamarck ın (1778) sonradan kazanılan özelliklerin döllere geçtiği yolundaki varsayımlar günümüzün en önemli tartışma ve araştırma alanlarını oluşturmuştur. İlk genetik tanımı Bateson (1909) tarafından yapılırken Johannsen (1909) gen tanımını literatüre sokmuştur. Genetik genler ile çalışan bir bilim dalıdır. Genetikçiler moleküler, hücresel, organizmalar, aileler, populasyon veya evolüsyon düzeyinde genler ile çalışırlar. 1953 yılında Watson ve Crick tarafından DNA molekülünün çift sarmal yapısının
açıklanması günümüzdeki moleküler biyoloji ve genetik çalışmalarının temelini oluşturmuştur. 20.Yüzyıl Mendel ve bezelyeler ile başladı ve Arabidopsis genom projesinin tamamlanması ile bitti. 21.Yüzyıl; bilgi ve teknolojilerde artış, populasyon büyümesi, yaşlanma ve göçler, ulusal ve uluslararası ekonomilerde değişimler, iklim değişimleri ve kısıtlamalar ve moleküler biyolojideki gelişmeler ile geçecek bir yüzyıl olacaktır. Arabidopsis, Drosophila, maya, insan vb. genom projelerinin tamamlanması genom sonrası çağı gündeme getirmiştir ve yeni yüksek teknolojilerle yeni araştırma alanları moleküler biyoloji çalışmalarında yerlerini almıştır. Bu yeni alan/ tanımların bazıları aşağıda verilmiştir; Genomik: Genomların analizi (yapısal ve işlevsel) Biyoinformatik: Biyolojik bilginin depolanması Transkriptomik: Gen ürünü RNA ların analizi Proteomik: Proteinlerin analizi Metabolomik: Metabolitlerin analizi Sistem Biyoloji: Genomik, transkriptomik, proteomik, metabolomik ve biyoinformatik verilerin belli bir biyolojik sistemi oluşturmak için integrasyonu Epigenetik ve epigenomik DNA dizi değişimlerinin (mutasyon) dışındaki faktörlerle oluşan, gen anlatımındaki tüm değişikliklere verilen genel bir tanımlamadır. Epigenetik değişiklikler kalıtsaldır fakat potansiyel olarak geri dönüşebilir. Gerstein ve ark. (2007) potansiyel olarak üstüste binebilen işlevsel ürünleri kodlayan genomik dizilerin birliğini GEN olarak tanımlayarak çok az sayıda genin çok sayıda proteini şifrelemesini kapsayan tanımı devreye sokmuştur. GENON ( Gene ve operon ) birleşimi bir terimdir. Özel bir genle mrna düzeyinde DNAnın orijinal nükleik asid dizisinde ve pre-mrna (Scherrer and Jost 2007) trans- faktörler taşıyan genon mrna transgenon olarak adlandırılır. RNA nın çok önemli bir düzenleyici molekül olduğu mikro RNA lar ve türevleri ile çok önemli bir araştırma alanını oluşturmuştur. Gelişim genetiği bu çalışmalara paralel olarak büyük ivmeler kazanmıştır ve kök hücre çalışmaları ile özellikle çaresi olmayan pek çok hastalık için ümit verici çalışmalar büyük bir hızla sürdürülmektedir.
Biyoteknoloji; biyolojik sistemlerin, canlı organizmaların, ürünlerinin ve aktivitelerinin özgün kullanımlar için belli amaçlar doğrultusunda rekombinant DNA teknolojisi kullanılarak değiştirilmesi işlem ve sürecidir. Gen teknolojisi aracılığı ile genetik yapısı değişikliğe uğratılmış bir organizma (mikroorganizma, bitki veya hayvan) genetiği değiştirilmiş (transgenik) organizma (GMO)=(GDO)=(LMO) olarak da tanımlanmaktadır. Genetik değişim genellikle yabancı bir DNA parçasının organizmanın kalıtım maddesi ile bütünleşmesi sonucu gerçekleşmektedir. Bu teknoloji ancak yetkin bilim insanlarının donanımlı laboratuarlarda uygulayacağı bir teknoloji olmakla birlikte günümüzde biyoteknoloji şirketleri bu konuda yatırımlar yaparak, bilim insanlarını ve ar-ge faaliyetleri ile laboratuarları bünyelerine katarak, patentler alarak ve hatta borsaya hisselerini koyarak sektörü milyon dolarlarla tanımlanan bir alan haline getirmişlerdir. Diğer taraftan genetik materyelin doğada kendiliğinden oluşan değişimlere gore çok daha hızlı bir biçimde değişik canlılar arasında dolaşımına olanak veren bu teknoloji etik ve sosyal sorunları da beraberinde getirmiştir. Örneğin; ilk ticari GMO bitki raf ömrü uzatılmış domates 1994 yılında piyasaya sürülmesine karşın günümüzde 110 milyon hektar alanda bu yöntemlerle geliştirilmiş bitkiler ekilmektedir dolayısı ile de ürün çeşitli formlarda kullanılmaktadır. 250.000 kadar bitki çeşidi olmasına karşın bu şekilde üretimi gerçekleşen bitkiler katma değeri olan 30-40 kadar türdür. GMO ların insan sağlığı ve çevre dengeleri yönünden uzun süreli kumulatif etkilerinin neler olacağı bilinmemektedir. Bu nedenle tüm gelişmiş ülkelerde bu konuda yasalar yapılmıştır ve laboratuarda üretim aşamasından başlayarak sıkı denetimler konularak, sera, kontrollu çevre, çeşitli testler sonucu ürünler piyasaya sürülmektedir. Avrupa Birliği mevzuatında da konuya Tüketici Hakları yönünden büyük önem verilmektedir. Joint Research Center (JRC) bu konuda mevzuatın bilimsel değerlendirilmelerinin yapılmasında Avrupa Birliği Üyelerinin konu ile ilgili Akredite Laboratuarlarındaki uygulamaları düzenlemektedir. Genetik olarak yapıları değiştirilmiş organizmaların ve bunlardan türevlenen gıdaların analizleri günümüzde dezoksiribonükleik asit (DNA), ribonukleik asit (RNA), protein veya metabolitler düzeyinde farklı yöntemler kullanılarak ancak yetkin bilim insanları tarafından yapılabilmektedir. Tek standart bir teknoloji bulunmayıp bu konuda yardımcı olabilecek yeni Moleküler Biyoloji ve Genetik Teknolojilerinin (transkriptomik, proteomik, metabolomik vb.) geliştirilmesi konusunda Çerçeve Projeler de gerçekleştirilmektedir. Bir GMO analizinde üç soruya yanıt vermek gerekir: 1. GMO var mı, yok mu? 2. Hangi gen/ürün var? 3. Ne kadar var? Genetiği değiştirilmiş bir ürünün veya ondan türevlenmiş faklı ürünlerin analizi için
gerekli aşamalar şöyle sıralanabilir: analiz edilecek materyalden uygun miktarda uygun biçimde örnek alınması, örneğin homojenize edilerek ilgili analiz için gerekli izolasyon veya saflaştırmanın yapılması, saflaştırılan DNA, RNA, protein veya metabolitin analizi, pozitif sonuç alındığında genetik olarak değiştirilmiş maddenin tanısı ve miktarının belirlenmesi.. Protein düzeyindeki analizler genellikle antikor ve antijenin özgün olarak bağlanması temeline dayanan immünolojik testlerdir. Bu tip uygulamalardan biri olan ELISA ( Enzyme Linked Immunosorbent Assay ), aranan proteinin kendisine uygun olarak geliştirilmiş antikor ile etkileşimi sonucu oluşan renk değişimi, reaksiyonun gerçekleştiğini belirtir. Özgün antikor emdirilmiş kağıt şeritler Lateral flow strip pratik olarak yaprak ve tohum örneklerinde kullanılmaktadır. Polimeraz zincir reaksiyonunu (PCR) ise GMO ların DNA düzeyinde belirlenmesinde sıklıkla kullanılan, moleküler biyoloji çalışmalarına hız kazandıran bir yöntemdir. Genetik yapıları değiştirilmiş bitkiler çoğunlukla karnıbahar mozaik virüsüne ait 35S promotörü, nopaline sentaz terminatör dizilerini ve kanamisin direnç genini içermektedir. Klasik PCR analiz sonuçları GMO ların tanısında sadece bu hedef dizilerin varlığını veya yokluğunu göstermektedir. Avrupa Birliği mevzuatında yer alan izinli GMO ürünlerinde uygulanan %1 eşik değeri tanımlanması ve ürünün tüketici hakları yönünden etiketlenerek pazara sunulması konusunda yardımcı olmamaktadır. Son yıllarda geliştirilen gerçek zamanlı PCR (real-time PCR) sistemleri ile GMO tanıları kantitatif olarak yapılabilmektedir. GMO analizlerinde transkriptomik, proteomik ve metabolomik teknolojileri de önemli bir yer tutmaktadır. Bu teknolojilerin yurdumuzda da uygulamaya sokulması için işbirliği içinde yeni laboratuar altyapılarının uygulamaya geçirilmesi gerekmektedir. Yurdumuzda konu ile birinci dereceden ilgili kuruluş Tarım ve Köyişleri Bakanlığıdır. Yurdumuzdaki ilgili kuruluşların ve Laboratuarların Avrupa Birliği tanı merkezleri ağının içinde yer alması, ülkemize kontrollu veya kontrolsuz olarak giren GMO ve GMO türevli ürünlerin tanısı, çevre ve insan sağlığı yönünden önlemler alınması konusunda büyük önem taşımaktadır. Avrupa Birliği Mevzuatı ile uyumlu BİYOGÜVENLİK YASA TASARISI nın kısa sürede uygulamaya girmesi ile ülkemizde yurt sathında yapılacak çalışmalarla yetkin bilim insanlarının denetiminde uygun laboratuar alt yapılarının oluşturulması ve denetimler konusunda büyük aşamalar kaydedilmesi beklenmektedir.
Ülkesel eğitim programlarında; DNA işlevleri Organizmalar Kalıtım, gelişme ve çeşitlilik Evolüsyon Yeni kariyer alanları Etik konular Sosyal yansımalar Kendi yaşamını öğrenme Çok disiplinli genetik çalışmalar Sağlık uygulamaları Yaşam formları gibi konular detaylı olarak işlenmelidir. Genetik kavramı yuvalardan başlayarak tüm İlköğretim ve Lise öğretiminde verilmelidir. Konu ile ilgili Türkçe Web siteleri geliştirilmelidir. Bu konudaki önemli Türkçe ve diğer dillerdeki web siteleri ekte sunulmuştur. Günümüz Fen Öğretmenlerine bu konulardaki gelişmeleri izleyip ve öğrencilerine aktarma yönünde büyük sorumluluklar düşmektedir. Yüksek öğretimin ana temellerinin Orta öğretimde hatta İlköğretim ve Yuvalarda başladığını unutmazsak değişen 21. Yüzyıl koşullarına gençlerimizi daha iyi hazırlayabiliriz.
Biyoloji, Genetik ve moleküler biyoloji eğitimi ile ilgili web siteleri http://www.nclark.net/biology#general http://www.academicinfo.net/biologyed.html http://www.johnkyrk.com DOLAN DNA LEARNING CENTER http://www.dnaftb.org/dnaftb www.dnai.org/index.htm http://www.ygyh.org/ http://www.dnalc.org/home.html http://www.eugenicsarchive.org/eugenics/ http://www.accessexcellence.org/ http://www.hhmi.org/biointeractive/ www.bioservers.org www.geneticorigins.org www.genbilim.com www.biyolojici.com www.dnamiz.com www.lisebiyoloji.com