Biyolojideki Teknolojik Gelişmeler l ve Önceliklerimiz Doç. Dr. Tijen TALAS-OĞRAŞ TÜBİTAK - Marmara Araştırma Merkezi Gen Mühendisliği ve Biyoteknoloji Enstitüsü 11 Temmuz 2011
Biyoloji: canlı sistemler ile yapılan bilimsel çalışmalar bios : yaşam "logos": çalışmak Biyoloji = Yaşam bilimleri
Biyolojinin dalları: Botanik Zooloji (anatomi, fizyoloji, embriyoloji, sitoloji, histoloji) Mikrobiyoloji Biyokimya Biyofizik Deniz biyolojisi Ekoloji Moleküler biyoloji Biyoteknoloji Genetik
Biyoteknoloji: ürün oluşumu için biyolojik sistemlerin kullanıldığı teknolojik uygulamalar (Ekmek, yoğurt, ğ,peynir yapımı) Genetik mühendisliği: canlıların kalıtsal özelliklerinin değiştirilerek, yeni işlevler kazandırılmasına yönelik araştırmalar yapan bilim alanıdır. Genlerin bir organizmadan alınıp diğerine aktarımını gerçekleştiren bir teknolojidir. Genetik mühendisliği, biyoteknolojinin bir alt dalı değil, ayrı bir teknolojidir. Moleküler Biyoloji: Canlılardaki olayları moleküler düzeyde inceleyen biyoloji dalı. Yöntemleri: hibritleme rekombinant DNA hücre doku kültürü gene Yöntemleri: hibritleme, rekombinant DNA, hücre, doku kültürü, gene aktarımı
Moleküler biyolojideki çalışma alanları Genom araştırmaları Tedavi edici ürün Bitki biyoteknolojisi Entegre üretim üretimi programları Yapısal biyoloji Endüstriyel biyoloji Sistem biyoloji Görüntüleme
YAŞAM BİLİMLERİNDE GELİŞMELER 1953 DNA nın keşfi; James Watson, Francis Crick moleküler biyoloji ve genetik araştırmalarda ş patlama 1966 Genetik kodun şifresi çözüldü (M.Nirenberg, H. Mathaei, S. Ochoa) 1978 İnsan insulin proteininin sentetik formunun bakteride üretimi gerçekleşti. Rekombinant insülin üretimi (Genentech Inc.) 1990 İlk gen tedavisi i uygulaması 6
1994 Genetik olarak değiştirilmiş domates ABD de satışa çıkarıldı 1997 Klonlama; erişkin hücreden aynı genetik yapıya sahip yeni bir canlı oluşturuldu 1998 Embriyonik kök hücreler laboratuar ortamında çoğaltıldı Bir inekten birbirlerinin aynı 8 buzağı klonlandı (Kinki Üniv Japonya) 2009 İlk Türk buzağı klonu 7
2009 İlk Türk buzağı klonu; Boz ırk inek klonu, Efe TÜBİTAK MAM GMBE- İstanbul ve Uludağ Üniversiteleri. Efe (18 aylık) 8
2000 Altın pirinç Golden rice ; yüksek miktarda vitamin A içeren GDO pirinç üretildi. 2001 İnsan genom projesi tamamlandı. 9
İnsan Genom Projesi İnsan genomunun ayrıntılı analizi Genom: Bir canlının sahip olduğu genetik bilgilerin tümü DNA (=genetik bilgi), organizmanın yaşamı boyunca tüm yapı ve aktivitelerini belirler. Projenin amaçlarından bazıları: İnsan genomunda bulunan genleri, DNA yı oluşturan yaklaşık 3 milyar baz çiftinin dizisini belirlemek. Elde edilen bilginin i i veri bankalarında saklanması Genler ve fonksiyonları arasındaki bağlantıların bulunması Genlerin kromozomlarda nasıl bir bütün halinde çalıştıklarının belirlenmesi Genetik hastalıkların temelinin belirlenmesi
İnsan genom projesi: İnsan kromozomu (23 çift=3 milyar kadar baz çifti) 30,000 kodlayıcı gen (genomun %2-5 i) İlk tahminler 100.000 civarında idi Genomun %1.1 - % 1.4 ü proteinleri kodluyor İnsanların DNA yapılarının %99, 9 u ortaktır
DNA (Deoksiribonükleik asit); karbon, hidrojen, oksijen, azot, fosfat atomlarından oluşan ve hücrenin bütün hayati fonksiyonlarında rol alan bir moleküldür. 3 milyar baz çifti, 1 metre uzunluğunda ğ polimer.
Yaşamın şifresi:dna (deoksiribonükleik asit) DNA molekülünün bir bölümü olan her bir gen insan vücüdundaki belli bir özelliği kontrol eder.
DNA kromozom içinde sıkıca paketlenmiştir:
DNA nın agaroz jelde görüntülenmesi:
DNA Parmakizi
Esherichia coli (bir bakteri) Canlılarda l bulunan DNA ve gen sayısı Organizma Saccharomyces cerevisiae (maya hücresi) Genom Büyüklüğü Mb (Megabaz)* Gen sayısı 4.64 3237 12.1 12.000-14.000 Drosophila melangoster 140 15.000-25.000 (meyve sineği) Triticum aestivum (buğday) Pisum sativum (bezelye) 17 000 4800 Mus musculus 3300 50.000000-100.000000 (fare) Homo sapiens (İnsan) 3000 (3 milyar baz çifti) * DNA uzunluğu (Mb : 1000 000 baz çifti ) 20.000-30.000
Biyoteknoloji seviyeleri Organel seviye: tüm organizma ile ilgili, daha iyi yaşaması ve büyümesi Moleküler seviye: Hücrenin parça ve yapısının değiştrilmesi (moleküler biyoloji çalışmaları
Biyoteknolojinin tıp uygulamaları Antikorlar Tedavide kullanılan moleküller Dijitalis; kalp yetmezliğinde, Taksol; meme kanserinde, İnterferon, virüslere karşı savunma için, Biyomalzemeler Vücudumuzda eksik maddelerin yerine konması İnsülin Büyüme hormonu Hemofilide faktör VIII Adli tıp uygulamaları l Gen tedavisi Aşılarş 19
Teknolojiler ve araçları: Biyolojik işleme teknolojileri Rekombinant DNA teknolojisi Monoklonal Antikorlar Protein mühendisliği Nanobiyoteknoloji Mikroyongalar (mikroarrays)
Biyoteknolojinin Uygulama Alanları Sağlık Gıda/yem Endüstriyel Hastalık tanısı Tedavi edici moleküller Çevre temizliği
Sağlık Uygulamaları Tanı Tedavi Kişiye özel ilaçlar Koruyucular; aşı, antibiyotik, kanser tedavi molekülleri Yenilebilir bitki aşıları
İnsanlardaki uygulamalar Tedavi edici moleküller, problemlere yeni çözümler Hastalık tanısı hastalıklarınız ve geçirebileceklerinizin belirlenmesi Gen terapisi Gelecek yıllarda yapılacak tedaviler Kişiye özel tedaviler; Özel ilaçlar (farmakogenomik) Gen terapisi (hastalıkların tedavisi)
Biyoteknoloji ve Sağlık Ürün Insülin Interferon Interlökin Büyüme hormonu Nöroaktif proteinler Kullanım Diyabet Kanser Kanser Cücelik Ağrığ Bu proteinlere özgü genler Klonlanır Bakteriye aktarılır Üretilir, izole edilir ve sağlık ürünü haline getirilir
Sağlık ile ilgili biyoteknolojik ürünler: Aşılar herpes, hepatit C, AIDS, malaria Diş çürümesi Streptococcus mutantlarının değiştirilmesi (the bacteria that destroys enamel Yenilebilir aşılar (hepatit, ishal, malarya )
Endüstriyel biyoteknoloji ve uygulamaları Biyo-katalizler Biyo-yakıtlar y Yeşil plastikler Nanoteknoloji Çevre biyoteknolojisi Gıda biyoteknolojisi Ham materyal işlemenin iyileştirilmesi Gıda işleme Gıda güvenliği testleri
Tarımsal üretimdeki uygulamalar Tahıl biyoteknolojisi Orman biyoteknolojisi Su kültürleri Hayvan biyoteknolojisi Tarımda biyoteknolojinin kullanımı Bitki ve hayvanların yeni çeşitlerinin oluşturulması Bitki ve hayvanların yaşamsal işlevlerinin geliştirilmesi Doğal biyolojik işlemlerden ürün üretilmesi Gıdaların çeşit ve kalitesini iyileştirilmesi
Yaşam bilimlerinde hedeflenen çalışmalar: Yeni hayvan ve bitki türlerinin ortaya çıkarılması Genlerin kataloglanması, gen bankaları İlaçların ucuz ve etkili üretimi Uzun yaşam (genlerin kontrol altına alınması, değiştirilmesi
Biyoteknoloji ürünlerinin kullanımında çekinceler Belirsizlik Yeni yaşam formalarındaki olası tehlikeler l Organizmanın doğal hali ile korunma çabası Sağlıksız besin kullanım riski Etiketlemelerdeki eksikler Bilgi eksikliği Etik
Genetik mühendisliği niçin önemli? Farklı moleküllerin canlı sistemlerde (biyoreaktörlerde) üretimi, Transgenik (GDO) bitki, hayvan ve mikroorganizma oluşturulması (hastalıklara dayanıklı bitkiler, sütünde tedavi molekülü üreten inekler, metal yiyen bakteriler ), Özel bir genin birçok kopyası çıkarılması, Genlerin işlev ve düzenlenmesi ile ilgili araştırmalar (hastalıkların mekanizmasının incelenmesi)
Gen klonlama: genlerin (DNA molekülü) canlıdan izolasyonu, DNA üzerinde laboratuvar ortamında işlemler, başka bir canlıya aktarılması Rekombinant DNA teknolojisi; özel enzimler ile DNA nın istenilen il bölgesinin i kesilip çıkarılması ve kesilen parçanın vektör adı verilen taşıyıcı moleküllere (plazmit) eklenmesi işlemlerini içerir. Daha sonra plazmit bakteri içine yerleştirilerek rekombinant DNA nın normal hücresel aktivitesine devam etmesi sağlanır.
Bazı Klonlar
Genetik mühendisliği: Genler ile taşınan DNA bilgisinin farklı bir hücreye/organizmaya aktarım işlemidir. Neden gen aktarımı yapılır? Bir kimyasal üretiminde Organizmanın özelliklerinin değiştirilmesi Tarımsal ilaç kullanımında azalma Bitki ve hayvanların özelliklerinin geliştirilmesi ve yeni formlarının kullanımı Doğal biyolojik işlemler ile ürün eldesi Yiyeceklerin kalite ve çeşidinin artırılması Uygun olmayan iklim ve toprak koşullarında bile ürün alınabilme
Genetiği değiştirilmiş organizmalar:
Rekombinant DNA oluşumu: l
Klasik bitki ıslahı Verici Ticari çeşit Yeni çeşit (birçok gen aktarıldı) İstenen gen X = (çaprazlama) İstenen gen Bitki Biyoteknolojisi İstenen t gen Ticari i çeşit Yeni çeşit (gen aktarımı) = Desired gene
Teosinte Modern corn
Bitkilerde genetik mühendisliği Bakteri Bitki hücresi Bakteri DNA sı Gen Transgenik bitki Hücre bölünmesi Transformasyon Agrobacterium Biyolistik Elektroporasyon 39
Yenilebilir aşılar Patojen proteini i taşıyan bir transgenik bitki İğne ile yapılan aşıların etkisinde Hedef bitkiler; patates, muz ve domates İnsanların yiyebileceği bitkiler veya meyveleri Vücut, patojen proteinine karşı antior üretir İnsanlar patojene karşı aşılanmış olur Örnekler: ishal, hepatit B, kızamık
Hayvanlara gen aktarımı Çıplak DNA nın aktarımı Mikro enjeksiyon, elektroporasyon Virüs ile yönlendirilen gen aktarımı
DNA mikroenjeksiyonu ile transgenik fare eldesi
Aktivasyon klon blastosist t
Mezbahadan elde edilen ovaryumlardan oositlerin aspirasyonu MI oosit (yumurta hücresi) 16 18 saat kültür MII oosit Oositin enüklasyonu
EKH ler bütün dokuların oluşumuna iştirak eder Pigmentli fareden EKH Kimerik fareler EKH lerin blastosiste enjeksiyonu jki Döllere geçiş Arat S. Tr.J of Biol 2000
Biyoreaktör hayvan eldesi:
İnsan genom projesi -Improvements in medicine: improved diagnosis of disease. -Microbial research: new energy sources, bio fuels. -DNA forensics: identifying potential suspects at a crime scene. -Agriculture: more nutritious produce. -Evolution and human migration: study migration of different population groups based on female genetic inheritance. - Risk assessment: reduce the likelihood of heritable mutations.
Mikroorganizmalar tarafından üretilen endüstriyel ürünler Mikrobiyal Hücreler; - Maya hücreleri endüstriyel olarak büyük ölçekte üretilerek amaca göre yaş veya kuru formda kullanılmaktadır. - Rhizobium ve Bradyrhizobium bakterileri legüminoz bitki tohumlarına inokule edilir. - Laktik asit bakterileri starter kültür olarak fermente süt ve sosis için kullanılır. Enzimler; -Nişasta parçalayıcı enzimler (amilazlar) - Protein parçalayıcı enzimler (proteazlar, rennin) -Yağları parçalayıcı enzimler (lipazlar). - Glikozdan fruktoz tatlandırıcısının üretiminde kullanılan ve endüstriyel olarak büyük miktarlarda üretilen glikoz izomeraz enzimler, -Yarı-sentetik penisilinlerin endüstriyel olarak yapımında kullanılan penisilin açilaz enzimidir. idi 48
Mikrobiyal biyoteknoloji ürünleri: yeni primer ve sekonder metabolitler immunomodulatörler biyoaktif peptidler aşılar proteinler ve enzimler antibiyotikler enzim inhibitörleri biyopestisitler biyopolisakkaridler vitaminler biyoplastikler probiyotikler bakteriosinler büyüme faktörleri toksinler amino asitler alkoloidler özel şekerler steroidler organik asitler biyomanyetikler biyopigmentler biyolezzetlendiriciler 49 49
Mikrobiyal Enzimler Peynir, bira ve ekmek yapımında kullanılmaktadır Günümüzde enzimlerin kullanıldığı endüstriyel alanlar oldukça çeşitlenmiş ve mikroorganizmalar kullanılarak her yıl üretilen saf enzimlerin miktarları 500 ton gibi değerlere ulaşmıştır. 2000 yılında endüstriyel enzimler için pazardaki toplam değer yaklaşık 2 milyar dolardır ve büyüme hızı yılda % 5-10 dur. Enzim kaynakları: Bitkiler, hayvanlar, mikroorganizmalar 50
Enzimler ve uygulama alanları: Süt ürünlerinin üretiminde, Biracılıkta, Etlerin işlenmesinde, Meyve sularının berraklaştırılmasında, Protein ve yağ artıklarını parçalamak üzere deterjan endüstrisinde, Deri ve dokuma ipliklerinin işlenmesini kolaylaştırarak tekstilde, Teşhis ş ve tedavi amacıyla tıpta kullanılmaktadırlar. 51
Dünya Enzim Pazarı Yaklaşık 1,1 Milyar Dolar (% 60 ı Avrupa da Üretilmekte) Mikrobiyal enzim uygulamalarından en önemlileri tatlandırıcı, deterjan, tekstil, deri, kağıt, ilaç endüstrileri ve diğer tıbbi uygulamalardır. l 52
Yem endüstrisi enzimleri Yem endüstrinin kullandığı enzimlerin pek çoğu mikroorganizma kaynaklıdır. Mikroorganizma kökenli enzimlerin, bitkisel veya hayvansal kaynaklı enzimlere göre üstünlükleri bulunmaktadır; Katalitik aktivitelerinin çok yüksek olması, İstenmeyen yan ürün oluşturmamaları, Daha kararlı ve ucuz olmaları, Ekstrem (uç) koşullarda aktivite gösterebilmeleri, Büyük ölçeklerde üretilebilmeleridir. 53
Çevre Uygulamaları Biyoremediasyon kirlenmiş çevrenin temizlenmesi için mikropların veya bitkilerin kullanımı Indikatör bakteri çevre kontaminasyonunun belirlenmesi l i
Teşekkür ederim Hayatta en hakiki mürşit ilimdir