Biyolojideki Teknolojik Biyolojideki Teknolojik G li lG li lGelişmeler Gelişmeler

ve Önceliklerimizve Önceliklerimizve Önceliklerimizve Önceliklerimiz

Doç. Dr. Tijen TALAS-OĞRAŞTÜBİTAK - Marmara Araştırma MerkeziTÜBİTAK Marmara Araştırma Merkezi

Gen Mühendisliği ve Biyoteknoloji Enstitüsü11 Temmuz 201111 Temmuz 2011

Biyoloji: canlı sistemler ile yapılan bilimsel çalışmalar

“bios”: yaşam

"logos": çalışmaklogos : çalışmak

Biyoloji = Yaşam bilimleri

Biyolojinin dalları:Biyolojinin dalları:•Botanik

•Zooloji (anatomi, fizyoloji, embriyoloji, sitoloji, histoloji)

•MikrobiyolojiMikrobiyoloji

•Biyokimya

•Biyofizik

•Deniz biyolojisiy j

•Ekoloji

M l kül bi l ji•Moleküler biyoloji

•Biyoteknoloji

•Genetik

Biyoteknoloji: ürün oluşumu için biyolojik sistemlerin kullanıldığı teknolojik uygulamalar (Ekmek, yoğurt, peynir yapımı)j yg ( , y ğ , p y y p )

Genetik mühendisliği: canlıların kalıtsal özelliklerinin değiştirilerek yeni işlevler kazandırılmasına yönelik araştırmalar yapandeğiştirilerek, yeni işlevler kazandırılmasına yönelik araştırmalar yapan bilim alanıdır. Genlerin bir organizmadan alınıp diğerine aktarımını gerçekleştiren bir teknolojidirteknolojidir.

Genetik mühendisliği, biyoteknolojinin bir alt dalı değil, ayrı bir teknolojidir.

Moleküler Biyoloji: Canlılardaki olayları moleküler düzeydeMoleküler Biyoloji: Canlılardaki olayları moleküler düzeyde inceleyen biyoloji dalı.

Yöntemleri: hibritleme rekombinant DNA hücre doku kültürü geneYöntemleri: 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

İ İ İ İYAŞAM BİLİMLERİNDE GELİŞMELER

1953DNA’nın keşfi; James Watson, Francis Crick moleküler biyoloji ve genetik araştırmalarda patlamaş p

1966 Genetik kodun şifresi çözüldü (M.Nirenberg, H. Mathaei, S. Ochoa)

1978İnsan insulin proteininin sentetik formunun bakteride üretimi gerçekleşti.Rekombinant insülin üretimi (Genentech Inc.)

1990İlk t d i i lİlk gen tedavisi uygulaması

6

19941994 Genetik olarak değiştirilmiş domates ABD’de satışa çıkarıldı

19971997Klonlama; erişkin hücreden aynı genetik yapıya sahip yeni bir canlı oluşturuldu

1998Embriyonik kök hücreler laboratuar ortamında çoğaltıldı

Bir inekten birbirlerinin aynı 8 buzağı klonlandı (Kinki Üniv Japonya)

2009İlk Türk buzağı klonu

7

2009İlk Türk buzağı klonu; Boz ırk inek klonu, EfeTÜBİTAK MAM GMBE- İstanbul ve Uludağ Üniversiteleri.TÜBİTAK MAM GMBE İstanbul ve Uludağ Üniversiteleri.

Efe (18 aylık)

8

2000Altın pirinç “Golden rice” ; yüksek miktarda vitamin A içeren GDO pirinç üretildi.

2001 İİnsan genom projesi tamamlandı.

9

İnsan Genom Projesiİnsan genomunun ayrıntılı analizi

Genom: Bir canlının sahip olduğu genetik bilgilerin tümü

İnsan Genom Projesi

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•İnsan genomunda bulunan genleri,DNA’yı oluşturan yaklaşık 3 milyar baz çiftinindizisini belirlemek.Eld dil bil i i i b k l d kl•Elde edilen bilginin veri bankalarında saklanması

•Genler ve fonksiyonları arasındaki bağlantılarınbulunması•Genlerin kromozomlarda nasıl bir bütün halindeçalıştıklarının 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) , y g (g )

•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 polimer.y ç ğ 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 kromozom içinde sıkıca paketlenmiştir:

DNA’nın agaroz jelde görüntülenmesi:

DNA ParmakiziDNA Parmakizi

C l l d b l DNACanlılarda bulunan DNA ve gen sayısı

OrganizmaGenom

Büyüklüğü Mb Gen sayısıOrganizma Büyüklüğü Mb(Megabaz)*

Gen sayısı

Esherichia coli(bir bakteri)

4.64 3237(bir bakteri)Saccharomyces cerevisiae(maya hücresi)

12.1 12.000 - 14.000

Drosophila melangoster 140 15 000 25 000Drosophila melangoster(meyve sineği)

140 15.000 - 25.000

Triticum aestivum(buğday)

17 000(buğday)Pisum sativum(bezelye)

4800

Mus musculus 3300 50 000 100 000Mus musculus(fare)

3300 50.000 - 100.000

Homo sapiens (İnsan)

3000(3 milyar baz çifti)

20.000-30.000(İnsan) (3 milyar baz çifti)

* DNA uzunluğu (Mb : 1000 000 baz çifti )

Biyoteknoloji seviyeleri

Organel seviye: tüm organizma ile ilgili, daha iyi yaşaması ve büyümesiy

Moleküler seviye: Hücrenin parça ve yapısının değiştrilmesi (moleküler biyoloji çalışmaları

Biyoteknolojinin tıp uygulamaları

•Antikorlar•Tedavide kullanılan moleküller

Dijitalis; kalp yetmezliğindeDijitalis; kalp yetmezliğinde,Taksol; meme kanserinde,İnterferon, virüslere karşı savunma için,

•Biyomalzemeler•Vücudumuzda eksik maddelerin yerine konması

İnsülinİnsülinBüyüme hormonuHemofilide faktör VIII

Adli t l l•Adli tıp uygulamaları•Gen tedavisi•Aşılar

19

ş

Teknolojiler ve araçları:Biyolojik işleme teknolojileri•Biyolojik işleme teknolojileri

•Rekombinant DNA teknolojisi

•Monoklonal Antikorlar

•Protein mühendisliği•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 molekülleriY il bili bi ki l•Yenilebilir bitki aşıları

İnsanlardaki uygulamalarİnsanlardaki uygulamalar• Tedavi edici moleküller, problemlere yeni çözümler

• Hastalık tanısıhastalıklarınız ve geçirebileceklerinizin belirlenmesi

• Gen terapisi

Gelecek yıllarda yapılacak tedavilerKişiye özel tedaviler;

• Özel ilaçlar (farmakogenomik)• Gen terapisi (hastalıkların tedavisi)

Bi t k l ji S ğl kBiyoteknoloji ve Sağlık

Ürün KullanımÜrün Kullanım

Insülin Diyabet

fInterferon Kanser

Interlökin Kanser

Büyüme hormonu Cücelik

Nöroaktif proteinler Ağrıp ğ

Bu proteinlere özgü genlerBu 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(the bacteria that destroys enamel

Yenilebilir aşılar (hepatit, ishal, malarya …)

Endüstriyel biyoteknoloji ve uygulamalarıyg•Biyo-katalizler

•Biyo-yakıtlary y

•Yeşil plastikler

•NanoteknolojiNanoteknolojiÇevre biyoteknolojisi

Gıda biyoteknolojisi•Ham materyal işlemenin iyileştirilmesiHam materyal işlemenin iyileştirilmesi

•Gıda işleme

•Gıda güvenliği testleri•Gıda güvenliği testleri

Tarımsal üretimdeki uygulamalarTahıl biyoteknolojisi•Tahıl biyoteknolojisi

•Orman biyoteknolojisi•Su kültürleri•Hayvan biyoteknolojisi

Tarımda biyoteknolojinin kullanımıy j•Bitki ve hayvanların yeni çeşitlerinin oluşturulması•Bitki ve hayvanların yaşamsal işlevlerinin geliştirilmesi•Doğal biyolojik işlemlerden ürün üretilmesi•Doğal biyolojik işlemlerden ürün üretilmesi•Gıdaların çeşit ve kalitesini iyileştirilmesi

Yaşam bilimlerinde hedeflenen çalışmalar:

•Yeni hayvan ve bitki türlerinin ortaya çıkarılması•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

Y i f l d ki l t hlik l• Yeni yaşam formalarındaki olası tehlikeler

• Organizmanın doğal hali ile korunma çabası

• Sağlıksız besin kullanım riski

• Etiketlemelerdeki eksikler

• Bilgi eksikliği

• Etik• 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 )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’ i t il böl i i k ili k l k ilDNA’nın istenilen bölgesinin 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 devamrekombinant DNA nın normal hücresel aktivitesine devam

etmesi sağlanır.

Bazı KlonlarBazı Klonlar

Genetik mühendisliği:Genler ile taşınan DNA bilgisinin farklı bir hücreye/organizmaya aktarım işlemidiraktarım işlemidir.

N d kt l ?Neden gen aktarımı yapılır?

• Bir kimyasal üretiminde• Organizmanın özelliklerinin değiştirilmesi• Tarımsal ilaç kullanımında azalma•Bitki ve hayvanların özelliklerinin geliştirilmesi ve•Bitki ve hayvanların özelliklerinin geliştirilmesi ve yeni formlarının kullanımı• Doğal biyolojik işlemler ile ürün eldesi• Yiyeceklerin kalite ve çeşidinin artırılması• Yiyeceklerin kalite ve çeşidinin artırılması•Uygun olmayan iklim ve toprak koşullarında bile ürün alınabilme

Genetiği değiştirilmiş organizmalar:

R k bi t DNA lRekombinant DNA oluşumu:

Klasik bitki ıslahıVerici Ticari çeşit Yeni çeşit

(birçok gen aktarıldı)

İstenen genİstenen genX =

(çaprazlama)

Bitki Biyoteknolojisiİ t Ti i it Y i itİstenen gen Ticari çeşit Yeni çeşit

(gen aktarımı)=

(gen aktarımı)Desired gene

Modern cornTeosinte

Bitkilerde genetik mühendisliğiBitkilerde genetik mühendisliği

BakteriBitki hücresi

Bakteri DNA’sı Gen

Bitki hücresi

T fTransformasyon• Agrobacterium• Biyolistik• Elektroporasyon

39

Hücre bölünmesiTransgenik bitkip y

Yenilebilir aşılar

P t j t i i t bi t ik bitki• Patojen proteini taşıyan bir transgenik bitki

• İğne ile yapılan aşıların etkisinde

• Hedef bitkiler; patates muz ve domates• Hedef bitkiler; patates, muz ve domates

İnsanların yiyebileceği bitkiler veya meyveleri

• Vücut patojen proteinine karşı antior üretir• Vücut, patojen proteinine karşı antior üretir

• İnsanlar patojene karşı aşılanmış olur

• Örnekler: ishal, hepatit B, kızamıkÖrnekler: ishal, hepatit B, kızamık

Hayvanlara gen aktarımı

• Çıplak DNA ‘nın aktarımı

Mik j k i l ktMikro enjeksiyon, elektroporasyon

•Virüs ile yönlendirilen gen aktarımıy g

DNA mikroenjeksiyonu ile transgenik fare eldesiDNA mikroenjeksiyonu ile transgenik fare eldesi

Aktivasyon

bl t i t

klon

blastosist

Mezbahadan elde edilen ovaryumlardan oositlerinoositlerin aspirasyonu

MI oosit (yumurta hücresi))

16‐18 saat kültür

MII oosit

Oositin enüklasyonu

EKH ler bütün dokuların oluşumuna iştirak eder

Pigmentli fareden Kimerik farelerEKH

Kimerik fareler

EKH lerin blastosiste

j k ienjeksiyonu

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.

İnsan genom projesi

-DNA forensics: identifying potential suspects at a crime scene.-Agriculture: more nutritious produce.-Evolution and human migration: studyEvolution and human migration: study migration of different population groups based on female genetic inheritance.- Risk assessment: reduce the likelihood of heritable mutationsheritable mutations.

Mikroorganizmalar tarafından üretilen endüstriyel

Mikrobiyal Hücreler;

Mikroorganizmalar tarafından üretilen endüstriyel ürünler

Mikrobiyal Hücreler;- Maya hücreleri endüstriyel olarak büyük ölçekte üretilerek amaca göre yaşveya 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

il i idiaçilaz enzimidir.

48

Mikrobiyal biyoteknoloji ürünleri:• yeni primer ve sekonder metabolitler • immunomodulatörler• biyoaktif peptidler• proteinler ve enzimler • enzim inhibitörleri

• aşılar• antibiyotikler• biyopestisitler• enzim inhibitörleri

• biyopolisakkaridler • biyoplastikler

• biyopestisitler• vitaminler • probiyotiklery p

• bakteriosinler • toksinler

• büyüme faktörleri• amino asitler

• alkoloidler • steroidler

• özel şekerler• organik asitler • biyomanyetiklerbiyomanyetikler • biyopigmentler• biyolezzetlendiriciler

49 49

Mikrobiyal EnzimleryPeynir, 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,

Bi l kt• Biracılıkta,

• Etlerin işlenmesinde,

• Meyve sularının berraklaştırılmasında,

• Protein ve yağ artıklarını parçalamak üzere deterjan• Protein ve yağ artıklarını parçalamak üzere deterjan endüstrisinde,

• Deri ve dokuma ipliklerinin işlenmesini kolaylaştırarakDeri ve dokuma ipliklerinin işlenmesini kolaylaştırarak tekstilde,

• Teşhis ve tedavi amacıyla tıpta kullanılmaktadırlar.

51

ş y p

Dünya Enzim PazarıDünya 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

l l d

52

uygulamalardır.

Yem endüstrisi enzimleriYem endüstrinin kullandığı enzimlerin pek çoğu mikroorganizma

Yem endüstrisi enzimleri

kaynaklıdır.

Mikroorganizma kökenli enzimlerin, bitkisel veya hayvansal

kaynaklı enzimlere göre üstünlükleri bulunmaktadır;

• Katalitik aktivitelerinin çok yüksek olması,

• İstenmeyen yan ürün oluşturmamalarıİstenmeyen yan ürün oluşturmamaları,

• Daha kararlı ve ucuz olmaları,

• Ekstrem (uç) koşullarda aktivite gösterebilmeleri• Ekstrem (uç) koşullarda aktivite gösterebilmeleri,

• Büyük ölçeklerde üretilebilmeleridir.

53

Çevre Uygulamaları

•Biyoremediasyon – kirlenmiş çevrenin temizlenmesi için mikropların veyatemizlenmesi için mikropların veya bitkilerin kullanımı

I dik tö b kt i k t i b li l i•Indikatör bakteri – çevre kontaminasyonunun belirlenmesi

Teşekkür ederim…

“Hayatta en hakiki mürşit ilimdir”