Genetik Mühendisliği ve Biyoteknoloji

Genetik Mühendisliği ve Biyoteknoloji

Genetik Mühendisliği;

1. DNA üzerindeki nükleotitlerin dizilişlerini belirleme,

2. İstenilen özellikte bir genin izole edilerek çoğaltılması,

3. Genlerin bir canlıdan diğerine aktarılması gibi çalışmaları yapar.

4. Aktarılan genlerle yeni gen kombinasyonları oluşturulur. Böylece Rekombinant DNA elde edilir.

5. Rekombinant DNA taşıyan canlıya ise Transgenik (Genetiği Değiştirilmiş Organizma) Canlı denir.

Genetik Mühendisliği; Günümüzde biyoteknolojinin temelini oluşturur. Canlıların kalıtsal özellikleri üzerinde değişiklikler yaparak bunlara yeni işlevler kazandırmaya yönelik çalışmalar yapan bir bilim dalıdır.

Biyoteknoloji

► Organizmaların ve bileşenlerinin faydalı ürünler elde etmek için kullanıldığı uygulamaların tümüdür.

► Bu nedenle biyoteknoloji her türlü mühendislik bilgisini biyolojiye uyarlamaya çalışır. Çeşitli mühendislik dallarında ve doğa bilimlerinden faydalanarak;

♦ DNA teknolojisi ile yeni bir canlı elde etmek,

♦ Mevcut canlının yapısında istenilen yönde değişiklik oluşturmak amacıyla yapılan çalışmaları kapsayan bir bilim dalıdır.

Biyoteknoloji; genetik, mikrobiyoloji, moleküler biyoloji, biyokimya, hücre ve doku kültürü gibi doğa bilimlerinden yararlanır.

► Yapay döllenme, melezleme, poliploidi biyoteknolojinin uygulama yöntemlerindendir.

► Yapay döllenme; üstün özelliklere sahip verimli bireylerden alınan spermlerin dondurularak iyi özellikteki yumurtalarla döllenmesidir.

► Melezleme; genetik yapısı farklı olan iki bireyin çaprazlanması sonucu melez yavrular elde edilir. Böylece çekinik genlerin bir araya gelme ihtimali azalır ve hastalıkların önüne geçilmiş olunur.

► Poliploidi; vücut (somatik) hücrelerinde ikiden fazla kromozom takımının bulunması durumudur. Canlılarda kromozom sayılarında oluşan bu tür değişmelere Ploidi denir. Poliploidi yöntemi ile normalden daha iri, daha sulu, daha tatlı ürünler elde edilir. Çiçekçilikte yetiştirilen kültür bitkileri genellikle bu yöntem ile üretilir.

► Biyoteknoloji; genetik mühendisliği sayesinde daha verimli ve daha ucuz ürünleri üreterek yaşamımızı kolaylaştırır.

► Biyoteknoloji sayesinde şeker hastalığı, kanser, AIDS gibi hastalıklara ve büyüme yetersizliği gibi problemlere çareler aranmakta; ayrıca bu sayede hasar görmüş sinir hücreleri onarılmaya, bulaşıcı hastalıklara karşı koyacak özel proteinler üretilmeye çalışılmaktadır.

► Üretilen özel mikroorganizmalarla günümüzün en önemli sorunlarından biri olan organik atıklara bağlı çevre kirliliği, kontrol altına alınmaya başlanmıştır.

Uğraş Alanları

► Genetik mühendisliği, kalıtsal materyal olan DNA’nın yapısında oluşturulabilecek değişiklikleri ve bunların nasıl yapılacağını açıklayan uygulamaları konu edinirken;

► Biyoteknoloji, genetik mühendisliğinin sağladığı bilgilerle canlılardan ekonomik değeri yüksek ürünler elde etmeyi amaçlar.

► Bu şekilde tarım ve hayvancılık, endüstri, tıp ve eczacılık gibi alanlarda önemli ürünler elde edilmiştir.

► Biyoteknolojinin en büyük hedeflerinden biri de insanların daha iyi şartlarda yaşayabilmesini sağlamaktır.

► Bu nedenle biyoteknoloji; organizmaları, onların ürünlerini biyolojik sistemlerde kullanarak insanlığa faydalı sonuçlar elde etmeye çalışır.

Biyoteknoloji ve genetik mühendisliği kavramları zaman zaman karıştırılır.

► Oysa bu iki kavram birbirinden farklıdır.

► Genetik mühendisliği, kalıtsal materyal olan DNA’nın yapısında oluşturulabilecek değişiklikleri ve bunların nasıl yapılacağını açıklayan uygulamaları konu edinir.

► Biyoteknoloji ise genetik mühendisliğinin sağladığı bilgilerle canlılardan ekonomik değeri yüksek ürünler elde etmeyi ve bunları pazarlamayı amaçlar.

♦ Örneğin bakterilerden elde edilen proteaz (proteinleri parçalayan enzim) ve lipaz (yağları parçalayan enzim) gibi enzimler geçmiş yıllarda deterjanlarda aktif madde olarak kullanılmaktaydı.

♦ Ancak bu deterjanlarla temizlenen çamaşırları giyen veya eşyaları kullanan insanların çoğunda alerjik sorunlar ortaya çıkmıştır.

♦ Sonraki yıllarda genetik mühendislerinin çalışmaları ile insanlardan bakterilere proteaz ve lipaz enzimlerini üretecek genler transfer edilmiş, antialerjik enzim üretimi gerçekleştirilmiştir.

♦ Elde edilen enzimler, çeşitli temizlik ürünlerine ilave edilerek insanların kullanımına sunulmuştur.

♦ Bu durum gösteriyor ki genetik mühendisliğinin pratikte uygulama şekli biyoteknoloji olarak ifade edilebilir.

► Önceleri birkaç basit araştırmayla başlayan biyoteknoloji, günümüzde önemli bir sektör hâline gelmiştir.

► Dünyadaki birçok ülke, biyoteknolojik araştırmalar ve buna bağlı olarak üretilen yeni ürünlerle biyoteknoloji pazarına hâkim olma konusunda birbirleri ile yarış içine girmiştir.

♦ Biyoteknoloji; genetik mühendisliğinin yöntemlerini araç olarak kullanır.

♦ İnsülin, kalsitonin ve büyüme hormonunu çok miktarda ve ucuza üretmek biyoteknolojinin amaçlarından biridir.

♦ Bunun için genetiği değiştirilmiş organizmalardan yararlanır.

♦ Genetiği değiştirilmiş organizma üretmek yani bir türden başka bir türe gen aktarımı yapmak, genetik mühendisliği çalışmalarıyla mümkün olmaktadır.

♦ Biyoteknoloji, genetik mühendisliği çalışmaları sonucu ivme kazanmış bu sayede insanlığa faydalı birçok ürün bol miktarda ve daha kolay üretilmeye başlanmıştır.

♦ Genetik mühendisliği çalışmaları ile elde edilen canlıların ve onlara ait ürünlerin ekonomik anlamda değerlendirilmesi biyoteknoloji sayesinde olmaktadır.

Genetik Mühendisliği ve Biyoteknoloji Uygulamaları

Biyoteknoloji,

1. Klasik Biyoteknoloji ve

2. Modern Biyoteknoloji olmak üzere ikiye ayrılır.

1. Klasik (Geleneksel) Biyoteknolojik Çalışmalar

Günlük yaşamda pek çok ürün başka bir ürüne klasik biyoteknoloji yöntemleriyle dönüştürülerek kullanılmaktadır. Örneğin; Sütten yoğurt, peynir ve kefir yapımı; sirke üretimi; hamurun mayalanması gibi olaylar.

♦ Biyolojik sistemler yardımıyla ham maddelerin yeni ürünlere dönüştürüldüğü işlemlere klasik biyoteknoloji denir.

♦ İnsanlık, nüfus artışı ile daha iri ve kaliteli meyve, daha çok et, süt ve yumurta elde etmek için bitki ve hayvanları çeşitli kültürel yöntemlerle iyileştirmeye (ıslah etmeye) çalışmış ve bunda da başarılı olmuştur.

♦ Günümüzde bakteri, maya, mantar gibi organizmaların genetik bilgilerinde değişiklikler yapılarak endüstrideki kullanım alanları genişletilmiştir.

Bu çalışmaların sonuçları kullanılarak;

1. Çeşitli enzimler

2. Tek hücre proteinleri

3. Deterjan

4. Antibiyotik

5. Alkol gibi maddelerin üretimi yapılmaktadır.

♦ Bu çalışmaların yanında klasik ıslah çalışmaları da hızla ilerlemiştir.

♦ Bu yöntemle daha iri ve kaliteli meyveler, daha çok et, süt ve yumurta elde etmek için bitki ve hayvanlar ıslah çalışmaları ile iyileştirilmeye çalışılmıştır.

Islah çalışma yöntemlerinin en önemlileri şunlardır:

1. Tür İçi ve Türler Arası Melezleme

Melez, kavram olarak hibrit, karışık anlamına gelir.

♦ Genetik yapısı farklı olan iki canlının çaprazlanması ile daha dayanıklı yavru canlıların elde edilmesidir.

♦ Bu çaprazlanan canlılar aynı ya da farklı türden olabilir.

► Oluşan yavrular istenilen özellikleri taşıyan yavrulardır.

► Yakın akraba canlılar arasındaki melezlemeler çekinik özellikteki hastalıklı genlerin bir araya gelme ihtimalini arttırdığı için canlıya zarar verecek hastalıkların oluşmasına neden olabilir.

► Türler arası melezlemeye Tritikale bitkisi örnek verilebilir. Bu bitki biyotik ve abiyotik koşullara dayanıklı bir bitki olup daha verimlidir. Bu bitki çavdar ve buğdayın çaprazlanması ile elde edilir.

► Tür içi melezlemeye buğday bitkisi örnek verilebilir.

► Kısa boylu verimsiz buğday ile uzun boylu verimli buğdayın çaprazlanması sonucu kısa boylu, çevre koşullarına dayanıklı ve iyi ürün veren melez buğdaylar elde edilir.

2. Yapay Döllenme

► Yapay (suni) döllenme genellikle hayvan ıslahında kullanılır.

► Damızlık özelliklerine sahip, verimli erkek bireylerden alınan spermler dondurularak saklanır.

► Gerektiğinde yapay döllenme ile üstün özelliklere sahip yumurtaların döllenmesinde bu spermler kullanılır.

► Bu yöntem inek, koyun, keçi gibi memeli canlılarda; et ve süt verimi yüksek bireylerin oluşturulmasında tercih edilmektedir.

3. Poliploidi

► Bazı canlıların somatik (vücut) hücrelerinde iki kromozom takımından daha fazla sayıda kromozom takımına sahip olması durumuna poliploidi denir.

► Poliploidi daha çok bitkilerde görülür.

► Poliploid canlılar, genellikle normalden daha büyük olmaları ile göze çarpar.

► Poliploidi, yaygın olarak kültür bitkilerinde uygulanan biyoteknolojik bir yöntemdir.

► Bu sayede daha gösterişli çiçeklere sahip, iri meyveli ve bol ürün veren bitkiler elde edilebilmiştir.

► Çekirdeksiz karpuz, çilek, muz, şeker kamışı, poliploid bitkilere örnek verilebilir.

► Poliploid bitkilerin ticari değerleri yüksek olduğu için bu yöntemle bitki üretimi oldukça önemlidir.

2. Modern Biyoteknolojik Çalışmalar

► Geleneksel ıslah çalışmalarının günümüzde yetersiz kalması modern ıslah çalışmalarını doğurmuştur. 

► Genetik mühendisliği çalışmalarının hızla ilerlemesi gelişmiş ve modern tekniklerin biyolojik sistemlere uygulanmasını da geliştirmiştir.

Genetik Mühendisliğinin Çalışma Alanları

A. Gen Teknolojileri

1. Gen Klonlama

2. Rekombinant DNA Teknolojisi ve Genetiği Değiştirilmiş Organizma (GDO)

3. Gen Terapisi

B. DNA Parmak İzi Yöntemi

C. Kök Hücre Yöntemi

D. Model Organizmalar, Model Organizmaların Genetik ve Biyoteknolojik Araştırmalarda Kullanılması

E. İnsan Genom Projesi

A. Gen Teknolojileri

Bir canlı türüne başka bir canlı türünden gen aktarılması veya var olan genetik yapıya müdahale edilmesi ile yeni genetik özelliklerin kazandırılmasını sağlayan biyoteknolojik yöntemlere gen teknolojisi denir.

Gen teknolojisi çalışmaları yapılırken genellikle model organizmalar kullanılır.

1. Gen Klonlama

► Bir genin kopyasını oluşturmak için kullanılan yöntem ve tekniklerin tamamıdır.

► Bir hücreden çoğaltılan ve genetik yapısı tamamen aynı olan hücrelere klon adı verilir.

► Gen klonlaması için Escherichia coli (Eşherşiya koli) gibi kolay yetiştirilebilen, hızlı çoğalabilen ve genetik yapısı basit olan model organizmalar kullanılır.

► E. coli bağırsakta yaşayan bir bakteri çeşididir. Yaşam döngüsünün çok kısa olması yönüyle tercih edilir.

► İnsülin ve büyüme hormonu, geçmiş yıllarda kadavralardan ve çeşitli memeli canlılardan çok az miktarda ve güçlükle elde edilmekteydi.

► Günümüzde ise bu hormonların sentezinden sorumlu genler, insan DNA’larından izole edilerek çeşitli bakterilere aktarılmaktadır.

► İnsülin ve büyüme hormonu daha kolay ve ucuza üretilebilmektedir.

► Klonlamada vektör olarak genellikle bakterinin sitoplazmasında bulunan ve plazmit adı verilen DNA parçaları kullanılır.

Gen Klonlama Uygulaması Nasıl Yapılmaktadır?

► Bu uygulamada öncelikli olarak geni klonlanmak istenen canlıya ait DNA ve vektör olarak kullanılacak bakteri DNA’sı (plazmit) özel yöntemlerle saf olarak izole edilir.

► İzole edilen DNA’daki istenilen gen ve bakteri plazmiti aynı restriksiyon enzimi ile kesilir.

► Kesilen gen ve plazmit, uygun koşullarda DNA ligaz enzimi ile birleştirilir.

► Bu işlem sonucunda elde edilen DNA, rekombinant DNA olarak isimlendirilir.

► Yeni özelliğe sahip plazmit tekrar bakteri hücresine aktarılır.

► Rekombinant bakteriler, uygun kültür ortamında çoğaltılır ve böylece istenen gen de klonlanmış olur.

Gen Klonlamasının Kullanım Alanları

► Rekombinant DNA teknolojisi, günümüzde çeşitli hastalıkların tedavisi için hormon, antibiyotik ve antikor üretme amacıyla sıklıkla kullanılmaktadır.

► Özellikle rekombinant DNA teknolojisi kullanılarak bitkilerde ürün verimi ve kalitesi artırılabilmektedir.

► Bu yöntemle bitkilerin soğuğa, kuraklığa, virüslere ve yabani ot mücadelesinde kullanılan ilaçlara (herbisit) karşı dirençli olması sağlanabilmektedir.

► Ayrıca özellikle kültür bitkilerinde tek bir doku hücresinden olgun bitkiler oluşturulabilmektedir.

► Tarımda biyoteknolojik çalışmalar, bitkilerin besin değerini ve kalitesini artırmak için de kullanılmaktadır.

► Pirinç, buğday, soya fasulyesi ve yonca gibi bitkilere uygun genler aktarılarak besin değerlerinin yüksek olması sağlanmıştır.

► Rekombinant DNA teknolojisi ile insanlardan izole edilen büyüme hormonu geninin fare embriyolarına aktarımı sonucu normale göre daha iri fareler elde edilmiştir.

► Bu bilimsel çalışma, insan embriyolarına da bu tip genlerin aktarılabilmesinde önemli ip uçları oluşturduğu için önemlidir.

► Bir sığır ırkında fazla kas üretimine neden olan gen, izole edilerek farklı ırktaki sığırlara hatta koyunlara aktarılmış ve daha fazla et üreten transgenik canlılar elde