I- BİYOTEKNOLOJİ VE ÖNEMİ
En basit ve geniş anlamı ile biyoteknoloji canlıların ya da onların öğelerinin yararlı ürünler üretiminde kullanılmasıdır. Biyoteknoloji çok yeni bir bilim dalıdır. Ancak biyoteknolojik yöntemler çok eski yıllardan beri uygulanmaktadır. Yoğurt, peynir ve şarap yapımında mikro organizmaların kullanımı ve çiftlik hayvanlarının seçilerek üretimi gibi yüzlerce yıl öncesinin uygulamaları biyoteknolojiye örneklerdir. Mutasyon ve genetik rekombinasyon gibi doğal genetik olaylar her zaman bu kavramın içinde yer almıştır. Fakat son yıllarda biyoteknoloji sayesinde bir canlıya ait DNA baz sırasının laboratuvar ortamında değiştirilerek bakteri, bitki ve hayvan gibi birbirinden çok farklı organizmalara aktarılmaktadır. Bunun sonucunda biyoteknolojik yöntemler kullanılarak tarım, tıp ve endüstri gibi alanlarda birçok yararlı ürün elde edilmektedir.
Biyoteknoloji oldukça kapsamlı bir alan olup bilimin birçok dalıyla yakın ilişkili olarak çalışmalar yapar.
Biyoteknoloji ve gen mühendisliği aynı anlamda kullanılmaktadır. Yandaki şemada görüldüğü gibi biyoteknoloji ile genetik mühendisliği aynı bilimler değildir. Çünkü gen mühendisliği, genetik materyal olan DNA üzerinde yapılan değişikliklerle ilgilenir. Biyoteknoloji ise biyolojik bir sistem ya da yapının endüstriyel boyutta kullanılması yoluyla farklı ürünlerin eldesi anlamına gelir. Başka bir ifadeyle biyoteknoloji, gen mühendisliği yöntemlerini araç olarak kullanan bir teknolojidir.
Biyoteknoloji tarihsel gelişim süreci göz önüne alındığında iki kategoriye ayrılır: Geleneksel biyoteknoloji ve Modern biyoteknoloji.
A. GELENEKSEL BİYOLOJİK YÖNTEMLER
İnsanlar yüzyıllardan beri geleneksel ıslah çalışmaları ile melezlemeler yaparak istenilen özellikte bitki ve hayvanlar üretmiş, bir anlamda gen mühendisliği çalışması yapmışlardır.
Farklı karakterler bakımından homozigot ırklar arasında çaprazlama yapılarak üstün özelliklere sahip melez bireyler elde edilmiştir.
Örneğin, küçük ve çok tatlı bir erikle büyük ve tatsız eriklerin çaprazlanmasıyla büyük ve çok tatlı erikler üretilebilmiştir.
Geleneksel ıslah yöntemleriyle istenilen farklı özelliklere sahip canlılar seçilip birbirleriyle eşleştirilerek anne ve babanın beğenilen özelliklerini taşıyan bireyler elde edilmiştir.
Biyolojik sistemler (genellikle bakteri, maya, mantar) hiçbir modifikasyona uğramadan aynen kullanılır. Ekmek, peynir, alkol, çeşitli alkollü içkiler, sirke, yoğurt gibi maddelerin üretilmesinde kullanılır. Geleneksel biyoteknolojisi “Fermantasyon teknolojisi” ağırlıklı olup buna yönelik üretimi kapsamaktadır.
Geleneksel ıslah çalışmaları insanoğlu için çok yararlı olsa da bazı önemli eksikleri vardır. Bunlardan bazıları aşağıda verilmiştir.
* Bu çalışmalar çok uzun zaman alır. Çünkü yeni bireye istenilen genlerle beraber istenmeyen genlerde aktarılır. Bu nedenle değerli bir bitki ya da hayvan türü bulabilmek için binlerce eşleşmenin yapılması gerekir.
* Islah amaçlı kullanılabilen genetik materyal oldukça sınırlıdır. Çünkü sadece anne ve babanın DNA’ları ile çalışılmaktadır.
B. MODERN BİYOTEKNOLOJİK YÖNTEMLER
İnsanlar, yüzyıllardan beri geleneksel ıslah çalışmalarıyla melezlemeler yaparak istenilen özellikte bitki ve hayvanları üretmeye çalışmıştır. Geleneksel biyoteknolojik yöntemlerin zamanla yetersiz kalmasıyla modern biyoteknolojik yöntemler geliştirilmiştir Yeni ıslah yöntemlerinin gelişmesi ile geleneksel yöntemlere ait sorunlar aşılmıştır. Böylece yüksek kaliteli ve daha fazla ürün veren türlerin eldesi kolaylaşmıştır.
Modern Biyoteknoloji genetik mühendisliği tekniklerinin kullanılarak biyolojik sistemlerin mutasyon ve rekombinant DNA teknolojisiyle kan proteinleri, insan kanı serumu, insan hormonları, insülin, biyoteknolojik aşılar gibi yararlı ürünlerin elde edilmesine olanak veren bir alandır.
Modern ıslah yöntemlerinin gelişmesiyle yüksek kaliteli ve daha verimli ürün elde edilmeye başlanmıştır. Modern ıslah çalışmalarında tür içi ve türler arası melezleme, yapay döllenme, poliploidi, gen aktarımı ve klonlama gibi yöntemler kullanılır.
a) Melezleme
Uzun süre sadece kendi arasında gen alış verişi yapan ırklar genetik olarak zayıf ırk olarak kabul edilir. Çünkü bu durum zararlı çekinik genlerin yan yana gelmesine (homozigot), dolayısıyla fenotipte etkisini göstermesine neden olur. Farklı karakterler bakımından homozigot ırklar arasında çaprazlama yaparak üstün özelliklere sahip melez bireyler elde edilebilir. Melezleme tür içinde olabileceği gibi türler arasında da olabilir.
Örneğin, Küçük bol sulu limonla, büyük az sulu limon çaprazlanırsa büyük ve bol sulu limonlar oluşur.
Örneğin, Küçük tatlı çilekle, büyük ama tatlı olmayan çilek çaprazlanırsa, büyük ve tatlı çilekler oluşur.
Örneğin, Küçük ve tatlı erikle büyük ve tatsız eriklerin çaprazlanması ile büyük tatlı erikler elde edilmiştir.
b) Yapay Döllenme
İstenilen özelliklere sahip canlılardan alınan yumurta ve spermler laboratuvar ortamında birleştirilerek istenilen özelliklere sahip bireyler oluşturulur. Üstün özelliklere sahip hayvanlardan alınan spermler, sperm bankasında saklanarak uygun zamanda ve uygun dişi bulunduğunda, bu canlılara ait yumurtayı döllemede kullanılır.
c) Poliploidi
Hücrelerdeki kromozom sayısının 3n veya daha fazla olması durumuna poliploidi denir. Bitkilerde görülme oranı hayvanlardan daha fazladır. Poliploid bitkilerin çiçek ve meyveleri diploit bitkilere göre daha büyüktür. Bu özellik poliploid bitkilerin ticari önemini artırır. Ekonomik değeri fazla olan meyve, sebze ve süs bitkileri poliploidi yöntemiyle üretilir. Patates, muz, çekirdeksiz karpuz ve elma gibi bitkisel ürünler elde edilmesinde poliploididen yararlanılır.
Yukarıda bahsedilen bu gelişmeler biyoteknoloji ve gen mühendisliğinin alanına girmektedir.
1. Biyoteknoloji
Biyoteknolojinin amacı temel bilimleri ve mühendislik ilkelerini canlı sistemlere uygulayarak hammaddelerin kısa sürede ticari ürünlere dönüşümünü sağlamaktır.
Bu amaca yönelik olarak yapılan yaygın uygulama, belirli bir özelliği kodlayan genlerin alınarak başka bir canlıya aktarılmasıdır. Böylece gen aktarımı yapılan canlıda istenilen gen ürünü sentezlenebilir. Örneğin şeker hastalığında kullanılan insülini kodlayan genin bakteri DNA’sına eklenmesiyle, ilgili bakteriye insülin sentezlettirilir. Bu yöntem sayesinde istenilen ürün ucuz bir maliyet ile bol miktarda üretilir.
Günümüzde biyoteknolojik uygulamalardan hastalıkların teşhis ve tedavisi, gıda sanayi, suların arıtılması, tarımsal üretim ve suçluların belirlenmesi gibi birçok alanda yararlanılmaktadır.
Biyoteknoloji; tıp, veteriner hekimlik, zooloji, arkeoloji, ekoloji vb. bilim dallarıyla ortak çalışır. Biyoteknoloji, yaşayan doku ve hücrelerin kullanılarak istenilen kalitede bir ürünün elde edilmesidir. Biyoteknolojiden tıp, eczacılık, biyokimya, mikrobiyoloji, beslenme, genetik, immünoloji, tarım ve çevre mühendisliği gibi alanlarda yararlanılmaktadır.
a) Biyoteknolojik çalışmaların gıda alanında uygulandığı konular
* Süt ve süt ürünleri sanayinde
* Alkol ve alkollü içecekler sanayinde
* Meyve sularının eldesinde
* Et ve et ürünleri sanayinde
* Gıda mikrobiyolojisinde
* Gıda atıklarınının değerlendirilmesinde
* Tek hücre proteini üretiminde
b) Hayvanların beslenmesinde yapılan biyoteknolojik çalışmalar:
* Yem kalitesinin yükseltilmesi
* Sindirim sistemindeki mikroorganizma-ların düzeltilmesi
* Bitkide istenmeyen genlerin çıkarılması
* Sentetik enzimlerle, gıdaların reaksiyona girdirilmesi
* Hastalıklara dirençli bitkilerin yetiştirilmesi
2. Gen Mühendisliği
Gen mühendisliği, canlıların kalıtsal yapılarını değiştirerek onlara yeni özellikler kazandırmaya çalışan bir bilim dalıdır. Gen mühendisleri istenilen genlerin izolasyonu, çoğaltılması, farklı canlılara ait genlerin birleştirilmesi ya da belirli bir genin bir canlıdan başka bir canlıya aktarılması gibi çalışmalarla uğraşırlar.
Farklı canlı türlerine ait DNA moleküllerinin kesilmesi ve kesilen parçaların birbirine eklenmesi sonucunda yeni bir DNA molekülünün oluşturulmasına rekombinasyon denir. Bu yolla oluşturulan DNA molekülüne ise rekombinant DNA (rDNA) adı verilir.
Günümüzde istenilen özellikte bitki ve hayvan üretebilmek için gen mühendisleri, insanlığa yarar sağlayacak şekilde organizmaların genetik yapılarını değiştirirler. Kendi türü dışında bir türden gen aktarılarak belirli özellikleri değiştirilmiş bitki, hayvan ya da mikroorganizmalara genetiği değiştirilmiş organizmalar (GDO) veya transgenik organizmalar adı verilir. Gen mühendisliği ile transgenik organizmalar (GDO) elde edilmektedir. Bu organizmalar insanlar için yararlı olan protein ve diğer molekülleri üretirler. Değişiklikler kalıtım materyali olan DNA’da yapıldığı için yeni genetik özellikler sadece genetiği değiştirilmiş canlılarda değil, onların yavrularında da bulunur.
DNA’nın yapısı ve işlevleri ile elde edilen daha geniş bilgiler sayesinde bitki ve hayvanların genotipleri araştırılarak yok olma tehlikesi ile karşı karşıya olan bitki ve hayvan türleri yapay seçilim yoluyla üretilebilmektedir. Günümüzde, var olan türlerin kalıtsal özellikleri belirlenerek istenen özellikte karakterin elde edilmesine yönelik seçim ya da çaprazlama yöntemleri yapılabilmektedir. Bu yolla daha verimli tarım bitkileri ve hayvan türleri elde edilebilir. Doğada soyu tükenmekte olan bitki ve hayvanlar çoğaltılabilir. Günümüzde genetik mühendisliği ve biyoteknoloji çalışmaları farklı alanlara ayrılarak yürütülmektedir. Bu çalışma alanlarından bazıları genomik, proteomik, biyoinformatik vb.dir.
Genomik, genom ile ilgili verilerin ortaya çıkarılması için yapılan çalışmalardır. Genomik çalışmalarda, canlının tüm genlerinin yapısı ve işlevleri değerlendirilmekte ve yorumlanmaktadır. Bunun için güçlü bir biyoinformatik desteğe ihtiyaç duyulur. Genomik çalışmalar, yapısal ve fonksiyonel olarak iki grupta incelenir. Yapısal genomik organizmanın genetik bilgilerinin ortaya çıkartılmasını sağlarken genlerin fonksiyonları ile ilgili bilgi vermez. Fonksiyonel genomik ise genlerin fonksiyonlarının öğrenilmesinin yanı sıra organizma açısından öneminin anlaşılmasına da aracılık eder.
Biyoinformatik, biyolojik moleküllerin üç boyutlu yapılarını, dizilimlerinin tasarlanmasını, analiz edilmesini, depolanmasını ve bu bilgilerin paylaşılması için bilişim araçları ve teknolojilerinin kullanılmasını sağlar.
Proteomik; belli bir zamanda ve belli bir yerde bulunan tüm proteinlerin yapılarını, yerleşimlerini, miktarlarını, doku ve hücrelerdeki işlevlerini, diğer proteinlerle olan etkileşimini aydınlatır ve bunu yaparken de biyoinformatik desteğe ihtiyaç duyar. Genomik ve proteomik, tıp ve tıp dışı birçok alanda çeşitli amaçlarla kullanılmaktadır.
