Biyolojideki Teknolojik G li l G li l Gelişmeler ve Önceliklerimiz

Biyolojideki Teknolojik
G li
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":
logos : çalışmak
Biyoloji = Yaşam bilimleri
Biyolojinin dalları:
•Botanik
•Zooloji (anatomi, fizyoloji, embriyoloji, sitoloji, histoloji)
•Mikrobiyoloji
Mikrobiyoloji
•Biyokimya
•Biyofizik
•Deniz biyolojisi
y j
•Ekoloji
•Moleküler
M l kül bi
biyoloji
l ji
•Biyoteknoloji
•Genetik
Biyoteknoloji: ürün oluşumu için biyolojik sistemlerin kullanıldığı
teknolojik
j uygulamalar
yg
((Ekmek,, yyoğurt,
ğ , peynir
p y yapımı)
y p )
Genetik mühendisliği: canlıların kalıtsal özelliklerinin
değiştirilerek, yeni işlevler kazandırılmasına yönelik araştırmalar yapan
değiştirilerek
bilim alanıdır.
Genlerin bir organizmadan alınıp diğerine aktarımını gerçekleştiren bir
teknolojidir.
teknolojidir
Genetik mühendisliği, biyoteknolojinin bir alt dalı değil, ayrı bir
teknolojidir.
Moleküler Biyoloji: Canlılardaki olayları moleküler düzeyde
inceleyen biyoloji dalı.
Yöntemleri: hibritleme,
hibritleme rekombinant DNA,
DNA hücre
hücre, doku kültürü
kültürü, gene
aktarımı …
Moleküler biyolojideki çalışma alanları
Genom araştırmaları
Yapısal biyoloji
Tedavi edici ürün
üretimi
Endüstriyel biyoloji
Bitki biyoteknolojisi
Sistem biyoloji
Entegre üretim
programları
Görüntüleme
YAŞAM BİLİMLERİNDE
İ İ
İ
GELİŞMELER
İ
1953
DNA’nın keşfi; James Watson, Francis Crick moleküler biyoloji ve genetik
araştırmalarda
ş
p
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 ttedavisi
d i i uygulaması
l
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
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
genleri,
DNA’yı oluşturan yaklaşık 3 milyar baz çiftinin
dizisini belirlemek.
•Elde
Eld edilen
dil bil
bilginin
i i verii b
bankalarında
k l
d saklanması
kl
•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
y g
gen (g
(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
y baz çifti,
ç
1 metre uzunluğunda
ğ
polimer.
p
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
DNA Parmakizi
C l l d bulunan
Canlılarda
b l
DNA ve gen sayısı
Organizma
Genom
Büyüklüğü Mb
(Megabaz)*
Gen sayısı
Esherichia coli
(bir bakteri)
4.64
3237
Saccharomyces cerevisiae
(maya hücresi)
12.1
12.000 - 14.000
Drosophila melangoster
(meyve sineği)
140
15 000 - 25.000
15.000
25 000
Triticum aestivum
(buğday)
17 000
Pisum sativum
(bezelye)
4800
Mus musculus
(fare)
3300
50 000 - 100.000
50.000
100 000
Homo sapiens
(İnsan)
3000
(3 milyar baz çifti)
20.000-30.000
* DNA uzunluğu (Mb : 1000 000 baz çifti )
Biyoteknoloji seviyeleri
Organel seviye: tüm organizma ile ilgili, daha iyi yaşaması
ve büyümesi
y
Moleküler seviye: Hücrenin parça ve yapısının değiştrilmesi
(moleküler biyoloji çalışmaları
Biyoteknolojinin tıp uygulamaları
•Antikorlar
•Tedavide kullanılan moleküller
Dijitalis; kalp yetmezliğinde,
yetmezliğinde
Taksol; meme kanserinde,
İnterferon, virüslere karşı savunma için,
•Biyomalzemeler
•Vücudumuzda eksik maddelerin yerine konması
İnsülin
Büyüme hormonu
Hemofilide faktör VIII
•Adli
Adli tıp
t uygulamaları
l
l
•Gen tedavisi
•Aşılar
ş
19
Teknolojiler ve araçları:
•Biyolojik
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
Y il bili bi
bitki
ki aşıları
l
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)
Bi t k l ji ve Sağlık
Biyoteknoloji
S ğl k
Ürün
Kullanım
Insülin
Diyabet
Interferon
f
Kanser
Interlökin
Kanser
Büyüme hormonu
Cücelik
Nöroaktif p
proteinler
Ağrı
ğ
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
yg
•Biyo-katalizler
•Biyo-yakıtlar
y y
•Yeşil plastikler
•Nanoteknoloji
Nanoteknoloji
Çevre biyoteknolojisi
Gıda biyoteknolojisi
Ham materyal işlemenin iyileştirilmesi
•Ham
•Gıda işleme
•Gıda güvenliği testleri
Tarımsal üretimdeki uygulamalar
•Tahıl
Tahıl biyoteknolojisi
•Orman biyoteknolojisi
•Su kültürleri
•Hayvan biyoteknolojisi
Tarımda biyoteknolojinin
y
j
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
Y i yaşam fformalarındaki
l
d ki olası
l
tehlikeler
t hlik 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
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’
DNA’nın
istenilen
i t il böl
bölgesinin
i i kesilip
k ili çıkarılması
k l
ve kesilen
k il
parçanın “vektör” adı verilen taşıyıcı moleküllere (plazmit)
eklenmesi işlemlerini içerir.
Daha sonra plazmit bakteri içine yerleştirilerek
rekombinant DNA’nın
DNA nın normal hücresel aktivitesine devam
etmesi sağlanır.
Bazı Klonlar
Genetik mühendisliği:
Genler ile taşınan DNA bilgisinin farklı bir hücreye/organizmaya
aktarım işlemidir
işlemidir.
N d gen aktarımı
Neden
kt
yapılır?
l ?
• 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:
R k bi
Rekombinant
t DNA oluşumu
l
:
Klasik bitki ıslahı
Yeni çeşit
Ticari çeşit
Verici
=
X
İstenen gen
(birçok gen aktarıldı)
(çaprazlama)
İstenen gen
Bitki Biyoteknolojisi
İ t
İstenen
gen
Ti i çeşit
Ticari
it
Y i çeşit
Yeni
it
=
(gen aktarımı)
Desired gene
Teosinte
Modern corn
Bitkilerde genetik mühendisliği
Bitkilerde genetik mühendisliği
Bakteri
Bitki hücresi
Bakteri DNA’sı
Gen
T
Transformasyon
f
Transgenik bitki
Hücre bölünmesi
• Agrobacterium
• Biyolistik
• Elektroporasyon
p
y
39
Yenilebilir aşılar
• Patojen
P t j proteini
t i i taşıyan
t
bi
bir ttransgenik
ik bitki
• İğne ile yapılan aşıların etkisinde
• Hedef bitkiler; patates
patates, muz ve domates
İnsanların yiyebileceği bitkiler veya meyveleri
• Vücut,
Vücut patojen proteinine karşı antior üretir
• İnsanlar patojene karşı aşılanmış olur
• Örnekler: ishal, hepatit B, kızamık
Hayvanlara gen aktarımı
• Çıplak DNA ‘nın aktarımı
Mik enjeksiyon,
Mikro
j k i
elektroporasyon
l kt
•Virüs ile y
yönlendirilen g
gen aktarımı
DNA mikroenjeksiyonu ile transgenik fare eldesi
Aktivasyon
klon
bl t i t
blastosist
Mezbahadan elde edilen ovaryumlardan oositlerin 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
j ki
Döllere geçiş Arat S. Tr.J of Biol 2000
Biyoreaktör
hayvan
eldesi:
y
y
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
Evolution and human migration: study
migration of different population groups
based on female genetic inheritance.
- Risk assessment: reduce the likelihood of
heritable mutations
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
il enzimidir.
i idi
48
Mikrobiyal biyoteknoloji ürünleri:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
yeni primer ve sekonder metabolitler
biyoaktif peptidler
proteinler ve enzimler
enzim inhibitörleri
biyopolisakkaridler
biyoplastikler
y p
bakteriosinler
toksinler
alkoloidler
steroidler
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
immunomodulatörler
aşılar
antibiyotikler
biyopestisitler
vitaminler
probiyotikler
büyüme faktörleri
amino asitler
özel şekerler
organik asitler
biyomanyetikler
biyopigmentler
biyolezzetlendiriciler
49
49
y Enzimler
Mikrobiyal
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,
Bi
l kt
• Etlerin işlenmesinde,
• Meyve sularının berraklaştırılmasında,
• Protein ve yağ artıklarını parçalamak üzere deterjan
endüstrisinde,
• Deri ve dokuma ipliklerinin işlenmesini kolaylaştırarak
tekstilde,
ş
ve tedavi amacıyla
y tıpta
p kullanılmaktadırlar.
• Teşhis
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
l d
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
oluşturmamaları,
• Daha kararlı ve ucuz olmaları,
• Ekstrem (uç) koşullarda aktivite gösterebilmeleri
gösterebilmeleri,
• Büyük ölçeklerde üretilebilmeleridir.
53
Çevre Uygulamaları
•Biyoremediasyon – kirlenmiş çevrenin
temizlenmesi için mikropların veya
bitkilerin kullanımı
•Indikatör
I dik tö bakteri
b kt i – çevre kontaminasyonunun
k t i
b li l
belirlenmesi
i
Teşekkür ederim…
“Hayatta en hakiki mürşit ilimdir”