Biyoteknolojinin Temelleri

Biyoteknolojiye girmeden önce biyoteknolojinin doğuşuna katkı sağlayan ve biyoteknolojiyi bir canlı gibi düşünürsek bu canlıyı oluşturan birkaç temel yapı taşından bahsetmek istiyorum.

Moleküler biyoloji biyosfer içerisinde yaşayan tüm canlı gruplarında var olan genom içerisindeki her bir genin fonksiyonlarını, özelliklerini ve aynı zamanda ilgili genin diğer genlerle olan ilişkisini inceleyen biyolojinin bir alt dalıdır.

Genetik mühendisliğinde ise PCR, agaroz jel elektroforezi, SDS-PAGE sistemi, PCR klonlama Gateway klonlama, CRISPR-Cas9 sistemi gibi özel teknikler kullanılarak canlıların sahip oldukları genomlar üzerinde değişiklikler yapılabilmektedir bu nedenle genetik mühendisliği ile moleküler biyolojiyi birbirinden ayırmak kolay değildir. Genetik mühendisliğinde kaydedilen ilerlemeler ve yeni tekniklerin keşfi (CRISPR-Cas9 sistemi gibi) moleküler biyolojinin de ilerlemesine çok önemli katkılar sağlamıştır böylece sadece insan değil diğer canlı gruplarının da genomları daha detaylı bir şekilde incelenerek canlıların sınıflandırılması, filogenetik ağaçların oluşturulması sağlanmış bazı sahip oldukları özel genler ve bu genlerin sağladığı özellikler daha iyi anlaşılmaya başlanmıştır ayrıca canlıların sahip oldukları genler baz alınarak yeni tür ilaçların geliştirilmesi hızlanmış olmakla beraber bu gelişmeler günümüzde de her geçen gün artarak devam etmektedir. aslında canlıların genomları üzerinde yapılan çalışmalar sonucu ortaya çıkan her yeni bilgi bizi her geçen gün daha farklı bir noktaya taşımaktadır.

Günümüzde bazı deniz canlılarının örneğin Aequorea victoria türü deniz anasından GFP(Green Fluorescent protein yani yeşil floresan protein) Dinoflagellat planktonlardan ışık yayan protein genlerinin ya da karada yaşayan bazı canlı türlerinin (bitki, hayvan veya mikroorganizma) sahip oldukları özel genler genetik mühendislik teknikleri kullanılarak diğer canlılara (bakteri, maya, virüs, diğer omurgalı veya omurgasız canlılar) aktarılarak yeni canlı türleri elde edilmiştir ve böylece biyoteknoloji bilimi doğmuştur. Üretilen bu yeni organizmalar endüstriyel alanda ve tıp alanında kullanılarak insanlara yarar sağlanmaya çalışılmaktadır.

Biyoteknoloji temel olarak bitkilerin, hayvanların ve mikroorganizmaların özel kültür ortamlarında kontrollü ve steril şartlar altında büyütülerek sahip oldukları özelliklerin genetik mühendislik teknikleri ile diğer canlılara aktarılması olarak tanımlanabilir. Biyoteknoloji alanı günümüzde hızla ilerleme kaydetmekle beraber en gözde multidisipliner bir alan olarak karşımıza çıkmakta ve karşılaşılan birçok problemin en büyük çözüm yolu olmaktadır.

Aslında insanlar çok eski çağlardan beri biyoteknolojiyle iç içe yaşamışlardır arkeolojik çalışmalar sonucunda birçok medeniyetin yaklaşık olarak M.Ö 2000 yıllarından beri biyoteknolojiyle ilgili çalışmaları olduğu ortaya çıkmıştır tabi o zamanlardaki çalışmalar günümüz modern çalışmaları gibi olmasa da klasik yöntemler olarak karşımıza çıkmaktadır ve bu klasik yöntemlerin üzerine yeni bilgilerin eklenmesiyle günümüz modern biyoteknolojik çalışmaları ortaya çıkmıştır. Eski çağlarda kullanılan ve biyoteknolojinin klasik yöntemlerine birkaç örnek vermek gerekirse;

• Koyun, keçi, sığır gibi hayvanların evcilleştirilmesi ve hayvancılık yapılması,
• Mayalanma(fermantasyon) kullanılarak ekmek, peynir, yoğurt, bira ve şarap gibi alkollü içeceklerin yapılması biyoteknolojinin klasik yöntemlerine örnek olarak verilebilir.

İnsanlar kendi ihtiyaçlarını karşılayabilmek için biyoteknolojinin bir uygulama alanı olan seleksiyon ıslahını binlerce yıldır kullanmaktadır ve böylece bitkisel ve hayvansal ürünlerin iyileştirme çalışmaları yapılmıştır.

Seleksiyon ıslahı; istenen özelliklere sahip canlıların sürekli olarak kendi aralarında çiftleştirilerek sadece istenen özelliklere sahip döllerin elde edilmesi olarak tanımlanır ve böylece istenmeyen karakterler zaman içinde kaybolur ve her çiftleştirme sonucu bir sonraki nesle daha fazla istenen karakterler aktarılır. Bu olay uzunca yıllar devam ettirildiği zaman artık oluşan yeni bireyler Atasal türlerinden iyice farklılaşırlar ve artık Atasal türleriyle çiftleştiklerinde verimli döller veremez hale gelirler. Bunlara örnek olarak melezleme yoluyla elde edilen bitkiler, örneğin mısır (Zea mays) bitkisi seleksiyon ıslahı ile teosinte (Zea canina) türünden elde edilmiştir, insanların bugün rahatlıkla tüketmiş oldukları marul ve lahana aslında birer yabani bitki iken nesiller boyunca seleksiyon ıslahı yöntemiyle üretimi yapılarak bugünkü formlarını kazanmışlardır. Tabi seleksiyon ıslahı sadece bitkilerde değil aynı zamanda hayvanlar içinde yüzyıllardır kullanılan bir yöntemdir ve bu yöntemle daha verimli hayvanlar (tavuk, hindi, keçi, sığır, domuz) elde edilmiştir.

Biyoteknolojinin günümüzde kullanılan modern uygulamalarına da birkaç örnek vermek gerekirse;

• Kan pıhtılaşma faktörü, büyüme, insülin ve testosteron gibi hormonların, interferonların ve antikorların sentezinden sorumlu olan genlerin başka mikroorganizmalara aktarılarak bu canlılardan istenilen proteinlerin elde edilmesi ve özel biyokimyasal yöntemlerle izolasyonu
• İn vitro olarak doku ve hücre kültürünün yapılması
• Biyoreaktörlerde mikroorganizmaların büyük ölçekte çoğaltılması
• Alglerden biyodizel üretimi
• Canlıların sahip oldukları özel genlerin daha fazla üretim yapması için organizmanın genetik olarak modifikasyonu örnek olarak verilebilir.

Biyoteknoloji de kendi içerisinde 7 farklı alanda incelenmektedir ve bu alanlar;

1. Mikrobiyal Biyoteknoloji
2. Bitki biyoteknolojisi(Tarımsal biyoteknoloji)
3. Hayvan Biyoteknolojisi
4. Adli biyoteknoloji
5. Tıbbi Biyoteknoloji
6. Akuatik Biyoteknoloji
7. Biyoremediyasyon

Bu alanların kısaca şöyle açıklanabilir;

Mikrobiyal Biyoteknoloji: Mikroorganizmaların genetik olarak modifikasyonu sağlanarak hem endüstriyel hem de tıbbi alanda bu mikroorganizmaların kullanılmasıdır. Kan pıhtılaşma faktörü, büyüme, insülin ve testosteron gibi hormonların, interferonların ve antikorların sentezinden sorumlu olan genlerin başka mikroorganizmalara aktarılarak bu canlılardan istenilen proteinlerin elde edilmesi ve özel biyokimyasal yöntemlerle izolasyonu mikrobiyal biyoteknolojiye örnek olarak verilebilir.

Bitki Biyoteknolojisi(Tarımsal Biyoteknoloji): Bitkilerin genetik olarak modifikasyonu sağlanarak bitkilerden istenilen ürünlerin elde edilmesi olarak tanımlanır. Örneğin bitkilere çeşitli gen aktarımları sağlanarak farklı özellikteki maddelerin bitkilerde üretiminin sağlanması, bazı canlıların sahip olduğu dirençlilik genlerinin aktarılması ile sıcağa, soğuğa(antifriz genleri ile) daha dayanıklı bitkilerin üretilmesi veya insanlar için önemli olabilecek bazı kimyasallara sahip bitkilerde genetik müdahaleler ile bitkinin bu maddeyi daha fazla üretmesinin sağlanması yada bazı önemli biyolojik aktiviteye sahip moleküllerin bitkilere ürettirilmesi ve bu kimyasalların izolasyonu sağlanarak ilaç üretimi gibi konular bitki biyoteknolojisine örnek olarak verilebilir.

Hayvan Biyoteknolojisi: Omurgalı veya omurgasız canlıların genetik olarak işlenmesi sonucu bu canlıların özellikle tıp alanında ve endüstriyel alanda kullanılmasıdır. Hayvan biyoteknolojisinin en fazla kullanıldığı alan tıp olarak karşımıza çıkmaktadır çünkü birçok biyolojik aktiviteye sahip molekül(antikor, interferon gibi proteinler) mikroorganizma dışında hayvanlarda da üretilmektedir. Bu durumun sebebi de bazı durumlarda mikroorganizmaların ürettikleri proteinlerin biyolojik aktivitesi düşük olabilmekte ya da hiç biyolojik aktiviteye sahip olmamaktadır çünkü proteinin biyolojik aktiviteye sahip olması için gerekli mekanizmaların ilgili mikroorganizmada yetersiz veya hiç bulunmamasıdır. Bu nedenle bu tarz özel yapılar gerektiren proteinler hayvanlarda üretimi sağlanmaktadır. Ayrıca transgenik canlıların oluşturulması ve canlı klonlanması gibi olaylarda hayvan biyoteknolojisinin araştırma konularındandır.

Adli Biyoteknoloji: Suçluların yakalanmasında olay yerindeki gömlek, saç, kan, tükürük, idrar, semen ve benzeri gibi yapılardan DNA örneklerinin elde edilmesi ve bu örneklerin kurban üzerinden alınan örnekler ile karşılaştırılması ve DNA parmak izine bakılarak suçluların yakalanması olarak tanımlanır fakat bir kişinin DNA parmak iziyle kurbanın üzerinden alınan DNA örneklerinin eşleşmesi suçu kesinlikle o kişi işlemiştir demek değildir ve daha fazla ve daha farklı testlerle suçlular kesin olarak belirlenir ve bu tür olayların tamamı adli biyoteknolojinin inceleme alanıdır.

Tıbbi Biyoteknoloji: Yukarıda bahsetmiş olduğum mikrobiyal biyoteknoloji ve hayvan biyoteknolojisinin araştırma alanları aynı zamanda canlılarda gen terapisi, kök hücre teknolojisi ve doku mühendisliği gibi alanlarda tıbbi biyoteknolojinin araştırma konularıdır.

Akuatik Biyoteknoloji: Deniz canlılarının veya tatlı sularda yaşayan canlıların(balık, karides, ıstakoz, kerevit, plankton ve mikroorganizmaların) laboratuvar şartlarında kültürlerinin yapılması ve bu canlıların genetik mühendislik teknikleri kullanılarak modifikasyonlarının sağlanması ile bu canlılardan istenilen ürünlerin elde edilmesi akuatik biyoteknoloji olarak tanımlanabilir. Ayrıca ticari değeri olan bazı balık türlerinin özel genetik müdahaleler ile daha dirençli hale getirilerek doğal ortamlarının dışındaki zor ortam şartlarında da yaşama ve üreme şanslarının arttırılması veya bu canlılara yüksek oranda büyüme hormonu sentezi yaptırılması ile daha kısa zaman içerisinde daha büyük boylara erişmelerinin sağlanması böylece üreme, büyüme aşamalarının hızla geçilmesi sağlanarak maliyetin azaltılmasını sağlamak akuatik biyoteknolojinin temel araştırma alanlarındandır. Bunların dışında bazı deniz canlılarında bulunan özel genlerin diğer canlılara aktarılması ya da bu canlıların sahip olduğu bazı özel molekülleri fazla üretmelerini sağlayıp bu moleküllerin biyokimyasal olarak izolasyonu sağlanarak gerekli ilaçların üretilmesi ve her zamanki gibi bazı biyolojik moleküllerin deniz canlılarında üretimlerinin sağlanması da akuatik biyoteknolojinin konusudur.

Biyoremediyasyon: Aslında bu alan mikrobiyal biyoteknolojiyle oldukça ilişkilidir ve mikroorganizmaların sahip oldukları bazı özelliklerden yararlanarak bu canlıların çevredeki atık maddeleri parçalamaları sağlanarak doğa korunmuş olur. Biyoremediyasyona en güzel örnekler saprofit bakterilerdir bu bakteriler bazı özel salgı enzimlerini hücre dışına salgılayarak ortamdaki organik molekülleri parçalar ve kendi ihtiyacı için olan besinleri vücutlarına alırlar böylece hem kendileri yarar görür hem de çevre organik atıklardan arınmış olur. Biyoremediyasyona başka bir örnek vermek gerekirse petrol parçalayan bakterilerin petrol sızıntısı olan yerlerde temizlik amacıyla kullanılması yada bazı zehirli kimyasalları parçalayıp enerji elde eden bakterilerin o zehirli ortamlara konularak zehirli kimyasalların temizlenmesi biyoremediyasyona örnek olarak verilebilir.

Gelecekte belki bir gün laboratuvar şartlarında birçok doku veya organ genetik mühendisliğindeki hızlı gelişmelerin biyoteknolojiye sağladığı katkılarla çok rahatlıkla üretilebilecektir veya kök hücre teknolojisindeki ciddi gelişmelerle artık hiçbir felçli insan kalmayacaktır. Tabi bunlar şimdilik insanlara ütopik gelse de kesinlikle geleceğin bilimi olacaktır. Yazımı tüm dünyayı kökünden değiştiren en büyük bilim insanlarından biri olan Nikola Tesla’nın bir sözüyle bitirmek istiyorum;

‘’İnsanlığın ilerlemesinin temel şartı icattır.’’

 

 

Ferhat ÖCAL

 

 

 

Kaynaklar;

1-Thieman J.William, Palladino A. Micheal (Üçüncü baskıdan çeviri), Çeviri Editörü: Mücella Tekeoğlu, Palme Yayınları 2013.