Genetik Şifre ve Protein Sentezi

Genetik Şifre ve Protein Sentezi

► Tüm canlılarda genetik bilgi DNA'da bulunur.

► Genetik bilgi; her bir gende bulunan nükleotitlerin oluşturduğu özel şifrelerdir.

► DNA'daki nükleotit dizilimi genetik şifreyi oluşturur.

► Şifre; haberleşmeye yarayan işaretler bütünüdür.

► Tüm canlılarda görev yapan genetik şifreler birbirine benzemektedir.

► Hücre içerisinde yaşamsal faaliyetlerin devamlılığını ve düzenini sağlayan şifreler DNA'daki genlerde bulunur.

► Genetik bilgiyi oluşturmada 4 çeşit nükleotit görev yapar.

Bunlar; Adenin, Guanin, Sitozin ve Timin nükleotitleridir. Bu nükleotitleri ifade eden harflar; A, G, C ve T'dir.

► DNA'da bulunan 4 çeşit nükleotitin protein sentezinde kullanılacak olan 20 çeşit amino asiti şifreleyebilmesi için üçlü nükleotitler şeklinde şifreler oluşturması gerekir.

► Eğer ikişer nükleotitten oluşan şifreler kullanılsaydı 16 çeşit şifre oluşurdu. Bu da 20 çeşit amino aside karşılık gelemeyecekti.

► Bu durumda 4³ = 64 çeşit genetik şifre oluşur. 64 çeşit genetik şifre ise 20 çeşit aminoasidi kodlamak için fazlasıyla yeterlidir.

► Her bir amino asit çeşidine karşılık en az bir genetik şifre vardır. Bazı amino asit çeşitleri için ise birden fazla şifre bulunmaktadır.

► 64 şifreden 61 tanesi amino asitleri ifade eden şifrelerdir. Bunlardan Metiyonin amino asidine karşılık gelen şifre protein sentezini başlatan şifre olup aynı zamanda polipeptit zinciri içinde de amino asit olarak yer alır.

► Metiyonin amino asitinin DNA üzerindeki genetik şifresi TAC olup mRNA'daki kodonu ise AUG'dir.

► Protein sentezinde kullanılan ve mRNA üzerinde bulunan kodonlardan üç tanesi durdurma ya da stop kodonları adını alır. Bunlar UAA, UAG, UGA kodonlarıdır. Bu kodonlar hiç bir amino asidi şifrelemez.

► Canlılarda bulunan genetik şifrenin genel biçimi ve işleyişi şu şekilde özetlenebilir.

3 Nükleotit = 1 Kodon = 1 Antikodon = 1 Amino Asit

Genetik Şifre ve Protein Sentezi Arasındaki İlişki

► Canlıların ortak özelliklerinin ortaya çıkmasında DNA molekülü etkilidir. (Virüslerde DNA ya da RNA etkili olur.)

► Yani canlılardaki ortak özelliklere ait bilgiler bu moleküllerde sakladır.

► DNA'da genetik bilgi bulunur.

► Genetik Bilgi; her bir gende bulunan nükleotitlerin oluşturduğu özel şifrelerdir.

► Tüm canlılarda görev yapan genetik şifreler birbirine benzemektedir.

► Bir alfabedeki harflerin kelimeleri,

► Kelimelerin ise cümleleri oluşturması gibi genlerdeki nükleotitlerden de şifreler oluşur.

► Bu şifreler; amino asitleri, amino asitler ise protein moleküllerini oluşturur.

► Amino asitlerin DNA'daki genetik bilgiye göre dizilerek oluşturduğu proteinler canlıya ait özellikleri belirler. Örneğin; kan grubu, göz rengi,saç şekli vb.

► Sonuç olarak hayatın dili ortak şifrelerden oluşmaktadır.

► Genetik şifre evrensel bir kavramdır.

Protein Sentezi

► DNA'daki genetik bilginin kullanılarak ribozom organelinde polipeptit üretilmesine PROTEİN SENTEZİ denir.

► DNA molekülündeki bir gen, bir proteinin sentezlenmesini sağlayan parçadır.

► Protein sentezi; protein sentezletecek gendeki bilgiye uygun olarak gerçekleşir.

► Bu genetik bilgi, proteinde yer alacak olan amino asitlerin çeşidini, sayısını ve dizilimini belirler. Bu da protein moleküllerinin farklı olmasını sağlar.

Protein sentezinde görev alan başlıca yapılar şunlardır:

• DNA (DNA Kalıp Zincirdeki İlgili Gen Bölgesi)
• Üç çeşit RNA (mRNA, tRNA, rRNA)
• ATP
• Enzimler (RNA Polimeraz Enzimi)
• Amino asitler
• Ribozom Organeli

DNA'dan başlayarak RNA'ya ilerleyen ve oradan da proteinin sentezine doğru gerçekleşen bir akıştır.

► Genetik bilgi akışında RNA Polimeraz enzimi DNA'nın ilgili gen bölgesini açarak mRNA'nın sentezini gerçekleştirir. Bu olaya Transkripsiyon (Yazılma) denir.

► Sentez tamamlandıktan sonra RNA Polimeraz açılan ilgili gen bölgesini tekrar sarmal hale getirir.

► mRNA'nın ribozoma giderek orada okunması ile protein sentezi gerçekleşir. Bu olaya ise Translasyon (Okunma) denir.

► Translasyon sonucunda önce Polipeptit Zinciri oluşur. Polipeptit durumunda iken protein işlevsel değildir. Daha sonra üç boyutlu yapılar kazanarak (Sekonder, Tersiyer, Quaterner yapılar) işlevsel ve yapısal proteinler oluşur.

► Prokaryot ve ökaryot hücrelerde genetik bilginin polipeptide dönüştürülme süreci aynıdır. Ancak olayların hücrelerde gerçekleştiği yerler farklıdır.

► Ökaryotlarda Transkripsiyon olayı; çekirdekte, mitokondri matriksinde ve kloroplast stromasında gerçekleşir.

► Translasyon ise sitoplazmadaki ribozomlarda ve mitokondri ile kloroplastta bulunan ribozomlarda gerçekleşir.

 ► Prokaryotlarda bu Transkripsiyon sitoplazmada, Translasyon ise sitoplazmadaki ribozomlarda gerçekleşir.

Protein Sentezinin Basamakları

► Canlılar kendi DNA'larına uygun olarak kendilerine özgü olan proteinleri sentezlerler.

► Protein sentezi tüm canlılarda ortak olarak gerçekleştirilen bir olaydır. Ancak tüm canlı hücrelerde gerçekleşmez. Örnek; memelilerin olgun alyuvar hücrelerinde protein sentezi olmaz.

► Canlılarda her protein çeşidi için DNA üzerinde o protein çeşidine ait bir gen bölgesi bulunur.

► İhtiyaç durumunda bu ilgili gen bölgesindeki genetik şifreye uygun protein çeşidi sentezlenir.

► DNA'daki bir genin nükleotit dizisine göre özgül bir polipeptit zincirinin sentezi iki basamakta gerçekleşir. Bunlar;

♦ Transkripsiyon (Yazılma)

♦ Translasyon (Okuma) olaylarıdır.

Transkripsiyon (Yazılma)

DNA'nın kalıp zincirindeki genetik bilgiye göre RNA sentezlenmesine Transkripsiyon (Yazılma) denir.

• Transkripsiyonda RNA Polimeraz Enzimi görev yapar.
• Transkripsiyon olayı ile tüm RNA çeşitleri sentezlenir.
• Transkripsiyon olayında ilk olarak DNA üzerinde sentezlenecek proteine ait olan ilgili gen bölgesi RNA Polimeraz Enzimi tarafından fermuar gibi açılır.
• DNA'nın iki zincirinden biri kalıp zincir, diğeri kalıp olmayan (anlamlı zincir) zincirdir. (DNA'nın her iki ipliği de RNA sentezinde kalıp olarak kullanılabilir.)
• Kalıp zincir şifre veren, kalıp olmayan zincir ise şifre vermeyen kısımdır.
• Ancak kalıp olmayan zincir; kalıp zincirin tamamlayıcısı olduğu için gen anomalilerinin rapor edilmesinde kullanılır.
• RNA Polimeraz Enzimi kalıp olarak kullanılacak DNA zincirindeki ilgili gen bölgesine bağlanır.
• Gendeki TAC ile başlayan zincir kalıp olarak kullanılır.
• RNA Polimeraz; kalıp olarak kullanılacak DNA zincirini kopyalamaya başlar ve DNA'dan mRNA sentezlenir.
• mRNA sentezi sırasında DNA'daki kalıp zincirde yer alan nükleotitlerin karşısına uygun RNA nükleotitleri gelir.
• DNA'daki Adenin karşısına mRNA'da Timin yerine Urasil,
• DNA'daki Timin karşısına ise mRNA'da Adenin gelir.
• Örneğin; DNA'nın kalıp ipliğindeki genetik şifre TAC, TAG, CCG, ATG, GTA şeklinde ise bu iplik üzerinden sentezlenecek mRNA'da; AUG, AUC, GGC, UAC, CAU kodonları gelir.
• RNA Polimeraz; mRNA üzerinde dizilen nükleotitler arasında Fosfodiester Bağları oluşturur.
• mRNA DNA'nın kalıp zincirine anti paralel olduğu için mRNA ipliğinin sentez yönü 5' üssünden → 3' üssüne doğru olur.
• Transkripsiyon ilerledikçe yeni sentezlenen mRNA molekülleri kalıp DNA'dan ayrılır. Sonra DNA iplikleri tekrar sarmal hale dönüşür.
• DNA'daki kalıp zincire tutunmuş RNA Polimeraz genin sonlandırıcı dizisine geldiği zaman DNA'dan ayrılır.
• Böylece sentezlenen mRNA serbest kalır. Çekirdek zarındaki porlardan çıkarak sitoplazmaya geçer ve ribozomun küçük alt birimine bağlanır.

Translasyon (Okuma)

► Translasyon olayı ribozomlarda olur.

► Ribozomun küçük alt birimine bağlanmış olan mRNA'daki kodonlar üzerinden polipeptit sentezinin yapılmasıdır.

Translasyonda;

♦ Ribozom,

♦ mRNA, tRNA, rRNA,

♦ Zayıf hidrojen bağları,

♦ Peptit bağları,

♦ Amino asitler,

♦ Amino asitleri tRNA'ya bağlayacak aktifleştirici enzimler görev alır.

• Protein sentezinde görev alacak ribozomlar; ökaryot hücrelerde çekirdekçikte sentezlenirler.
• Çekirdekçikte sentezlenen ribozomun büyük ve küçük alt birimleri çekirdek porlarından çıkarak sitoplazmaya geçerler.
• Bu alt birimler ayrı ayrı bulunurken protein sentezinde bir araya gelirler.
• Ribozomların yapısında protein ve rRNA bulunur.

Ribozomlar;

• Çekirdek zarı üzerinde,
• Granüllü endoplazmik retikulum zarı üzerinde
• Sitoplazmada tek tek ya da poliribozom şeklinde
• Mitokondri ve kloroplast organelinde bulunurlar.

► Hücre içinde kullanılacak proteinler genellikle sitoplazmada bulunan ribozomlarda sentezlenirler.

► Hücre dışına salgılanacak ya da lizozomda kullanılacak enzimlerin proteinleri ise; granüllü endoplazmik retukulum zarı üzerindeki ribozomlarda sentezlenmektedir.

Bir ribozomun büyük alt biriminde üç bölge vardır. Bunlar;

1. tRNA'nın bağlandığı, kodon ile antikodon eşleşmesi ile okuma olayının gerçekleştiği bölge (1.Bölge),

2. Sentezlenen polipeptit zincirinin uzadığı yer (2.Bölge).

3. tRNA'nın ribozomu terk ettiği yer (3.Bölge).

NOT: Translasyon olayı prokaryot hücrelerde sitoplazma ve ribozomda gerçekleşir.

Translasyonda sırasıyla şu olaylar gerçekleşir.

• Çekirdekte DNA tarafından sentezlenen mRNA çekirdekten çıkarak sitoplazmaya gelir ve ribozomun küçük alt birimine bağlanır.
• mRNA zinciri üzerinde AUG başlatma kodonu neredeyse buna karşılık gelen UAC antikodonuna sahip tRNA, Metiyonin amino asidini ribozoma getirir.
• mRNA'daki AUG kodonu ile tRNA'daki UAC antikodonu arasında geçici hidrojen bağları kurulur.
• Böylece kodon - antikodon eşleşmesi olur.
• Daha sonra ribozomun küçük alt birimi büyük alt birime bağlanır.
• Büyük ve küçük alt birimin bir araya gelmesi ile polipeptit sentezi başlar.

• Polipeptit sentezinin başlaması ile birlikte mRNA ribozomun alt birimleri arasında kaymaya başlar.
• tRNA taşıdığı amino asit ile ribozomun ikinci bölgesine gelir.
• Boşta kalan birinci bölgeye ise yeni bir tRNA gelir.
• Tekrar kodon - antikodon eşleşmesi ve okuma gerçekleşir.
• İkinci bölgede bulunan tRNA taşıdığı amino asidi birinci bölgedeki amino asite ekler.
• Bu sırada amino asitler arasında peptit bağları kurulur.
• Bu peptit bağlarının oluşumunda ribozomun büyük alt biriminde bulunan rRNA enzim gibi görev yapar.
• Amino asidini bırakan ikinci tRNA üçüncü bölgeye geçer ve ribozomu terk eder.
• Bu olaylar mRNA'daki kodonların tümü okununcaya kadar aynı şekilde tekrar eder.
• Böylece sitoplazmadan ribozoma taşınan amino asitler mRNA'daki kodon sırasına göre dizilerek polipeptit zinciri oluşur.

• mRNA üzerindeki durdurucu kodonlardan herhangi biri (UAA, UAG, UGA) gelinceye kadar sentez devam eder.
• Gelen durdurucu kodona sonlandırıcı protein (ayrılma faktörü) bağlanır.
• Bu protein polipeptit zinciri ile tRNA arasındaki bağı kopararak polipeptitin ribozomdan ayrılmasını sağlar.
• Polipeptit zinciri ribozomu terk ettikten sonra ribozomun alt birimleri yeniden birbirinden ayrılır.

Poliribozom (Polizom)

• Bir mRNA'nın çok sayıda ribozom tarafından okunmasıdır.
• Yani, bir mRNA birden fazla ribozoma tutunarak çoklu bir yapı oluşturur.
• Bu durum hücrenin aynı çeşit proteine çok sayıda ve kısa bir sürede acil ihtiyacı varsa bu protein çeşidini üretmek için kullanılır.
• Bu işlem tek mRNA ile defalarca tekrarlanabilir.
• Böylece aynı çeşit proteinden kısa sürede çok miktarda sentezlenmiş olur.

Canlılardaki proteinlerin çeşitli ve farklı olmasının nedenleri

1. Canlılardaki DNA'ların farklı nükleotit dizilişine sahip olması.

2. DNA'nın verdiği genetik şifreye göre protein sentezinde kullanılan amino asitlerin çeşidi, sırası ve sayısının farklı olması,

Santral Dogma

► DNA, protein sentezinde amino asitlerle doğrudan temas etmez.

► DNA taşıdığı genetik bilgiyi RNA aracılığıyla ribozomlara göndererek protein sentezlenmesini sağlamıştır.

► DNA'daki genetik bilginin aktarımına Santral Dogma denir.

► DNA'daki bilgi aktarımı 3 olay ile gerçekleşir.

1. Replikasyon: DNA'dan DNA'nın sentezidir.

2. Transkripsiyon: DNA'dan mRNA ve diğer RNA'ların sentezidir.

3. Translasyon: mRNA'dan protein sentezlenmesidir.

Bir hücrede bu 3 olayın gerçekleşme sıklığı sırasıyla; Translasyon > Transkripsiyon > Replikasyondur.

Santral Dogma olayının gerçekleşme mekanizması bütün canlılarda aynıdır.

Canlılardaki her bir polipeptit zincirinin dolayısıyla her bir protein ya da enzim çeşidinin bir gen tarafından sentezlenmesine Bir Gen Bir Polipeptit Hipotezi denir.

Replikasyon - Transkripsiyon ve Translasyon Olaylarının Karşılaştırılması

1. Hepsinde ATP enerjisi harcanır.

2. Transkripsiyonda; A, G, C, U nükleotitleri ve RNA Polimeraz Enzimi kullanılır. 

3. Translasyonda; amino asitler kullanılır. 

4. Replikasyonunda A, G, C, T nükleotitleri, DNA Polimeraz, Helikaz ve Ligaz enzimleri kullanılır.

5. Replikasyon olayı hücrenin bölüneceğini ifade eder.

6. Replikasyon sinir hücresi gibi bölünemeyen hücrelerde gerçekleşmez.

7. Transkripsiyon ve translasyon protein sentezi sırasında gerçekleşir.

8. Protein sentezinde DNA eşlenmesine (replikasyona) gerek yoktur.

9. Replikasyon sırasında oluşabilecek bir hata kalıtsal olabilir (Gen Mutasyonu). Ancak transkripsiyon ve translasyon sırasında oluşacak hatalar kalıtsal olmaz. Sadece farklı bir proteinin üretimine neden olabilir.

10. Protein sentezindeki genetik bilgi akışı tek yönlü gerçekleşir.

11. Polipeptit sentezi sırasında amino asitler arasında kurulan peptit bağı kadar su açığa çıkar (dehidrasyon).

12. Translasyonda mRNA ile tRNA arasında geçici zayıf hidrojen bağları kurulur.

13. Polipeptit sentezi sona erdikten sonra tRNA'lar ribozomdan ayrılır. mRNA serbest kalır. Ribozomun alt birimleri birbirinden ayrılır. Bu moleküller tekrar kullanılabilir.

14. Her protein çeşidi için bir mRNA sentezlenir. Canlıda protein çeşidi kadar mRNA çeşidi vardır.

15. mRNA sentezi DNA'nın kalıp olan ipliğinin 3' ucundan başlar. mRNA zinciri DNA zincirine antiparalel olduğu için, mRNA sentezi ipliğin 5' ucundan 3' ucuna doğru olur.

16. Ribozomda sentezlenen polipeptitler düz bir zincir şeklinde olup primer (birincil) yapıdadır. Bu polipeptit zinciri işlevsel değildir. Farklı şekillerde katlanmalar yaparak ikincil, üçüncül, dördüncül yapılara sahip üç boyutlu işlevsel proteinlere dönüşür.

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.

► İstenilen özellikteki bir genin farklı bir canlıya aktarılması; genetik mühendisliğinin alanıdır. O canlıdan istenilen bir ürünün elde edilmesi ise Biyoteknolojinin alanıdır.

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.

► Biyoteknoıloji; 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) Biyoteknoloji

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.

Tek Hücre Proteini: Çeşitli bakteri, maya, alg gibi tek hücreli canlılara laboratuvar ortamında karbonhidrat, aminoasit, protein gibi temel besin maddelerinin üretimelerini sağlatarak bunların kurutulması ile elde edilir. Tek hücre proteinler; hazır çorba ve yemeklerde, diyet ürünlerde kullanılmaktadır.

♦ 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.

NOT: Klasik ıslah çalışmaları dışındaki yapay döllenme, poliploidi, tür içi ve türler arası melezleme gibi ıslah yöntemleri biyoteknolojik çalışma olarak kabul edilmektedir.

Bu yöntemleri kısaca şu şekilde açıklayabiliriz.

1. 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 Biyoteknoloji

► 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

a. Gen Klonlama

b. Rekombinant DNA Teknolojisi

B. DNA Parmak İzi Yöntemi

C. Kök Hücre Yöntemi

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

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.

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 edilmiştir.

► Aynı yöntemle süt verimi yüksek koyun, keçi, inek ve yumurta verimi yüksek kümes hayvanları üretilmiştir.

Bitkilerde Gen Aktarımı

► Bitkilere gen aktarımı, ilk defa ateş böceğinden alınan lusiferaz enzimi geninin tütün bitkisine verilmesi ile gerçekleştirilmiştir.

► Lusiferaz, ateş böceğinin ışık saçmasını sağlayan özel bir enzimdir.

► Tütün bitkisi, gen aktarımından sonra ateş böceği gibi ışık saçmaya başlamıştır.

Rekombinant DNA Teknolojisi

► Günümüzde bilim insanları istenilen özelliklerdeki genleri; bitki, hayvan ve mikroorganizmalara özel yöntemlerle aktarabilmektedirler.

► Gen aktarımı ile yapısal özelliği değişmiş DNA’ya rekombinant DNA denir.

Genetiği Değiştirilmiş Organizma (GDO)

► Çoğunlukla farklı bir türden gen aktarımıyla belirli özellikleri değiştirilmiş canlılara genetiği değiştirilmiş organizma (GDO) veya transgenik organizma adı verilir.

► Pirinçte A vitaminin öncül maddesi olan beta karoten üretiminden sorumlu gen yoktur.

► Günümüzde gen teknolojisi ile normal olarak yetiştirilen beyaz pirince nergis bitkisinin beta karoten üretiminden sorumlu geni aktarılarak altın pirinç denilen transgenik bitki üretilmiştir.

► Altın pirincin tüketilmeye başlanması A vitamini eksikliğine bağlı hastalıkların önlenmesine katkı sağlayacaktır.

► Dünya nüfusu, her geçen yıl hızla artmakta bu durum besin kaynaklarının aynı hızla azalmasına neden olmaktadır.

► Bu anlamda çeşitli bakteri, maya, küf ve alg gibi tek hücreli canlılar bol miktarda üretilip bunların kurutulması ile tek hücre proteini üretilmiştir.

► Tek hücre proteinleri; hazır çorba ve yemeklerde, diyet ürünlerinde bol miktarda kullanılmaktadır.

B. DNA Parmak İzi Yöntemi

► İnsanların DNA baz dizilimlerinin farklı olmasından dolayı tek yumurta ikizleri hariç hiçbir bireyin genetik yapısı diğeriyle aynı değildir.

► İki insanın DNA'sı %99,9 oranında benzerdir. Geriye kalan oran ise parmak izi gibi kişiye özgüdür.

► İnsan DNA'sında yaklaşık 3 milyar nükleotit çifti bulunmaktadır. Bu küçük fark insanlar arasında farklılıklar oluşturur.

► DNA örnekleri; tükürük, saç, kan, sperm gibi hücrelerden sağlanabilir.

► İnsan genomunda anlamlı ve anlamsız baz dizileri bulunmaktadır.

► Anlamsız diziler; herhangi bir proteini kodlamayan, büyük çoğunluğu tekrar eden DNA dizilerinden oluşmaktadır.

► Bir canlıya ait hücredeki DNA baz diziliminde tekrar eden anlamsız baz dizilerinin jel üzerinde oluşturdukları bantlı yapılara DNA parmak izi denir.

► DNA parmak izi; kalıtsal hastalıkların teşhisinde, babalık testlerinde, genetik çeşitliliği belirlemede, suçlularun tespitinde (kriminoloji), moleküler arkeoloji alanlarında kullanılmaktadır.

► DNA Parmak İzinin çıkarılmasında PCR (Polimeraz Zincir Reaksiyonu) ve Elektroforez teknikleri kullanılır.

► DNA parmak izi elde etmek için DNA, uygun restriksiyon enzimi ile kesilir.

► Tekrar eden anlamsız baz dizileri PCR (Polimeraz Zincir Reaksiyonu) yöntemiyle çoğaltılır.

► Temel olarak PCR mekanizmasının amacı, yüksek sıcaklıkta yapısı bozulmayan bir DNA polimeraz kullanılarak DNA replikasyonunu ve çoğaltılmasını sağlamaktır.

► Elde edilen DNA’lar özel bir jele yüklenir.

► Elektroforez adı verilen bir yöntemle farklı uzunluktaki DNA parçaları birbirinden ayrılır.

► DNA parçaları jel üzerinde büyüklüklerine göre belirli uzaklıklarda bantlar oluşturur.

► Bu bantlı yapılar, bireylere özgüdür ve DNA parmak izi olarak adlandırılır.

C. Kök Hücre Yöntemi

► Son yıllarda bilim dünyasında kök hücrelerle yapılan çalışmalar ilgi ile izlenmektedir.

► Kök hücreler; yenilenme gücü yüksek olan, vücut içinde ve uygun koşullar sağlanırsa laboratuvar ortamında sürekli bölünebilen ve birçok hücre tipine dönüşebilen farklılaşmamış hücrelerdir.

► Günümüzde bilinen üç tip kök hücre bulunmaktadır. Bunlar;

1. Embriyonik Kök Hücreler: kendilerini yenileme ve diğer doku hücrelerine dönüşme yetenekleri çok yüksektir. Embriyonun blastula evresinde elde edilen embriyonik kök hücreler, uygun kültür ortamında geliştirilerek farklı hücre tipleri oluşturabilir. Tek başına bir canlıyı oluşturacak güce sahip kök hücrelerdir. 

♦ Bu tip hücrelerin ilerleyen zamanlarda doku ve organ üretiminde kullanılabileceği öngörülmektedir.

♦ Bu yöntemle bir bireyden elde edilen kök hücrelerle başka bireylerdeki yıpranmış doku ve organların onarımı veya bazı hastalıkların tedavisi de sağlanabilmektedir.

♦ Embriyonik kök hücreler; kanser, omurilik zedelenmeleri, Alzheimer (Alzaymır) ve Parkinson gibi hastalıkların tedavileri için umut olarak görülmektedir.

2. Göbek kordonundan alınan kök hücreler, en kolay elde edilen kök hücre çeşididir.Elde edilen bu kök hücreler; özel yöntemlerle dondurularak saklanmakta, gerektiğinde hasar gören doku ve organların tedavisinde kullanılmaktadır.

3. Yetişkin birey kök hücrelerinin diğer doku hücrelerine dönüşüm gücü azdır. Kemik iliği, deri, ve yağ dokuda bol miktarda yetişkin birey kök hücreleri bulunmaktadır.

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

► Deney ve araştırmalarda kullanılmaya uygun özellikleri taşıyan canlılara model organizma denir.

► Model organizmalar sayesinde bir canlıdan diğerine kolaylıkla gen aktarımı yapılmaktadır.

► Model organizmalar, insanlarda oluşan hastalıkların sebepleri ve bunların tedavileri için yapılacak deneylerin insanlar üzerinde gerçekleştirilemediği ve etik olmadığı durumlarda yaygın olarak kullanılır.

► Biyoteknoloji, genetik, moleküler biyoloji gibi biyolojinin pek çok dalında farklı özelliklere sahip model organizmalar kullanılmaktadır.

► Genetik ve biyoteknolojik araştırmalarda model organizmaların kullanılmasının başlıca nedenleri şunlardır.

Kısa Yaşam Döngüsüne Sahip Olma

 Deneylerin daha kısa sürede sonuca ulaşması ve daha fazla yeni nesil üzerinde gözlem yapılabilmesi için model organizmalar genellikle kısa yaşam döngüsüne sahip canlılar arasından seçilir.

Deneysel Uygulamalar İçin Elverişli Olma

► Genomunda kolay değişiklik yapılan canlılar, özellikle moleküler biyoloji ve genetik alanlarındaki araştırmalar için çok uygundur.

► Drosophila melanogaster (Drosofila melanogaster) bir çeşit meyve sineği türüdür.

► Günümüzde en sık kullanılan model organizmalardan biridir.

Laboratuvar Ortamında Yetiştirilebilme

► Model organizmalar, sıklıkla laboratuvar ortamında kolayca bakımı yapılabilecek canlılar arasından seçilir.

► Bu seçimde canlının boyutu, beslenme biçimi, yaşadığı sıcaklık gibi faktörler göz önünde bulundurulur.

► Örneğin fare [Mus musculus (Mus muskulus)] araştırmalarda en sık kullanılan model organizmadır.

► Yetiştirilmesi ve bakımı kolaydır.

► Üreme hızı yüksek olduğu için özellikle ilaçların olası yan etkilerini nesiller boyu gözlemlemeye uygundur.

► Memeliler sınıfına ait bir canlı olduğu için ilaçların insanlar üzerindeki etkisi açısından da ipucu vermektedir.

Genom Büyüklükleri

• Bazı model organizmalar küçük genoma sahip olmalarından dolayı tercih edilir.
• Örneğin hardal bitkisi [Arabidopsis thaliana (Arabidopsis talina)], bitkisel araştırmalarda en çok kullanılan model organizmadır.
• Çok küçük bir genoma sahip olması ve genom haritası çıkarılmış ilk bitki olması nedeniyle tercih edilir.

Genom Haritalarının Çıkarılmış Olması

► Genom diziliminin tamamı bilinen canlılar, özellikle genetik alanındaki araştırmalar için çok uygun birer model organizmadır.

► Bir çeşit nematot olan yuvarlak solucan [Caenorhabditis elegans (Senorabdidis elegans)], genom dizilimi haritalanmış ilk çok hücreli canlı olması bakımından önemlidir.

Ekonomik Özellik Taşımaları

► Model organizma olarak seçilen canlının ucuz ve kolay bulunabilir olması, bakımının masraflı olmaması bilim insanları için tercih edilen bir durumdur.

► Örneğin ekmek mayası [Saccharomyces cerevisiae (Sakkaromises serevise)], kolay yetiştirilebilir olduğu için genetik ve mikrobiyoloji alanında sıklıkla kullanılmaktadır.

Bilim insanları model organizmaları seçerken aşağıdaki özellikleri dikkate alırlar.

Model Organizmalar;

► Kolay ulaşılabilir olmalı

► Gelişimi kolay incelenmeli ve takip edilebilmeli

► Embriyonik gelişimine kolay müdahale edilebilmeli

► Yapılacak deneylere uygun olmalı

► Yaşam döngüsü kısa olmalı

► Canlı genomu ile benzerliği fazla olmalı

► Laboratuvar ortamında kolay yetiştirilebilmeli

► Genom haritası çıkarılmış olmalı

İnsan Genom Projesi

► Genetik mühendisliği çalışmaları ile bir canlının genomundaki tüm genlerin yerlerini belirlemek ve haritalarını çıkarmak için yapılan çalışmalara Genom Projesi denir.

► Genom Projesi ile ilk yıllarda E.coli bakterilerinin, mayaların, meyve sineklerinin, çeşitli tek hücreli canlıların ve farelerin gen haritaları çıkarılmıştır.

► Bu canlılardan özellikle meyve sineğinin ve farenin genetik işleyişinin insanlarla büyük oranda benzerlik göstermesi, bu model organizmalar üzerindeki çalışmaları daha önemli hâle getirmiştir.

► Bu tip canlıların genomları üzerindeki çalışmalar, daha karmaşık yapılı insan genomunun haritalanması açısından umut verici olmuştur.

► 1990 yılında birçok ülkenin bilimsel ve finansal desteği ile insan genomunun tümünün haritalanması ve kromozomların nükleotit dizilerinin belirlenebilmesi için İnsan Genom Projesi adı verilen çalışma başlatılmıştır.

► Bu proje 2003 yılında tamamlanmıştır.

► Bazı bilim insanları bu projenin insanlığın aya ayak basmasından hatta tekerleğin icadından bile daha önemli olduğunu söylemişlerdir.

► Bu proje tam olarak hedefine ulaşırsa şeker, kanser ve kalp damar hastalıklarının tedavisi kolaylaşacak ve bu tip hastalıklar önceden teşhis edilip önlenebilecektir.

► Ayrıca bu proje ile kişiye özel ilaçlar üretilerek ilaçların olası yan etkileri azaltılmış ve ilaçla tedavide daha başarılı sonuçlar elde edilmiştir.

► Genom Projesi sonuçları gen teknolojisini geliştirmiştir.

► Genetik mühendisleri, gen terapisi sayesinde istenmeyen özelliklere sahip genleri istenilen özellikteki genlerle değiştirerek genetik hastalıkları ve kusurları önlemeyi planlamaktadırlar.

► İnsan genomunda 3 milyardan fazla nükleotit, 25 - 30 bin civarında gen bulunduğu tahmin edilmektedir.

► İnsan Genom Projesi sayesinde bazı hastalıklara neden olan genlerin DNA dizilimleri çözümlenebilmiştir.

► Birçok kanser çeşidine bu sayede çözüm bulunabileceği öngörülmektedir.

► Bu proje sayesinde yakın bir zamanda organ nakillerinde yaşanan doku uyumuyla ilgili sorunların ortadan kaldırılması amaçlanmaktadır.

► Bu sayede doku ve organ nakillerinde daha başarılı sonuçlar alınması sağlanacaktır.

Organ Nakli Konusunda Yapılan Çalışmalar

► Günümüzde üzerinde en çok çalışılan konulardan biri, kök hücre teknolojileriyle yapay doku ve organ üretimidir.

► Doku ve organ naklinin hayat kurtardığı herkes tarafından bilinen bir gerçektir.

► Ancak uygun doku ve organ temin edilmesi ciddi bir sorundur.

► Organ nakillerinde en önemli kaynak, organ bağışlayan sağlıklı bireyler ile beyin ölümü gerçekleşen insanlardır.

► Ülkemizde ve dünyada tüm çabalara rağmen doku ve organ bağışı, istenilen düzeye ulaşamamıştır.

► Yeterli organ bağışı yapılsa bile doku ve organ nakillerinde başarısızlığa neden olan bazı tıbbi sorunlar ile karşılaşılmaktadır.

► Bu tıbbi sorunların büyük çoğunluğu doku reddinden kaynaklanır.

► Doku reddini önlemek için doku nakli yapılan bireyler bağışıklık sistemini baskılayan ilaçları kullanmak zorundadır.

► Bu tür ilaçlar da çeşitli enfeksiyonlara ve kansere yakalanma riskini büyük ölçüde artırmaktadır.

► Bilim insanları bu ve buna benzer durumlardan dolayı yapay doku ve organ üretme çalışmalarına hız vermişlerdir.

► Fizyolojik görevini tam olarak yerine getiremeyen hayati organların yerine mekanik malzemelerden tasarlanan, doku mühendisliği ile üretilen organlara yapay organ denilmektedir.

► Bu çalışmalar sonucunda 1997 yılında ilk kez yapay olarak insan derisi üretilmiştir.

► Bu teknoloji sayesinde yara ve yanıklar, kalıcı izler bırakmadan tedavi edilebilmektedir.

► Günümüzde kalp, pankreas, böbrek, karaciğer, deri ve kulak gibi organların yapay modellerinin üretimi için çeşitli çalışmalar yürütülmektedir.

► Yapay organ üretiminde yapay organ nakli yapılacak bireylerden elde edilen kök hücreler kullanılarak doku reddi gibi sorunların ortadan kaldırılması hedeflenmektedir.

► Ancak kök hücrelerin laboratuvar koşullarında çoğaltılmasında yaşanan zorluklar ve yapay organların fizyolojik yönden doğal organların işlevlerini tam olarak yerine getirememesi yapay organ üretimindeki temel sorunlardır.

► Yapay doku ve organ üretimi sayesinde engelli bireylerin sorunları ortadan kalkacaktır.

► İlaçlara bağımlı yaşamak zorunda kalan, kimi zaman yıllarca uygun organ bulunması için bekleyen kişilerin hayatı büyük ölçüde değişecek ve yaşam kalitesi artacaktır.

Kısırlık Problemlerinin Çözümü

► Günümüzde kısırlık problem olmaktan çıkmak üzeredir.

► Geliştirilen çeşitli yöntemlerle ile yumurta ve spermin dış ortamda birleşmesi sağlanmış ve çiftlerin bebek sahibi olmaları kolaylaştırılmıştır.

► Normal yollarla gebe kalmayı engelleyen sperm sayısının azlığı, tüp bebek yöntemi ile sorun olmaktan çıkmıştır.

► Üzerinde çalışılan bir diğer yöntem de yapay rahim üretimidir.

► Yapay rahim üretilebilirse erken doğan bireylerin hayatta kalma şansı artacaktır.

► Çeşitli hayvanlarda uygulanan yapay rahim çalışmaları umut vericidir. Hamilelik sürecinde embriyo, geliştirilen yeni teknonolojik çalışmalarla anne karnında ameliyat edilerek sağlığına kavuşturulmaktadır.

Biyomedikal Malzemelerin Üretimi

► Biyomalzeme teknolojisi çok hızla gelişmekte ve her geçen gün organ fizyolojisini daha iyi taklit edebilir düzeye gelmektedir.

► Bu sebeple kısa vadede geliştirilecek yapay organların daha kullanışlı hâle geleceği açıkça görülmektedir.

► Böbrek yetmezliğinde kullanılan diyaliz makineleri, işitme güçlüğü çekenlerde kulanılan çeşitli cihazlar ve kalp pilleri yapay organ olmasa da organlar üretilinceye kadar tedavilerde kullanılmaya devam edilecektir.

Genetik mühendisliği ve biyoteknoloji uygulamalarının insan hayatına olan etkilerinin en önemlileri şunlardır:

1. Klonlama çalışmaları ve organizmaların genetiğinin değiştirilmesinin olası sonuçları

2. Biyogüvenlik ve biyoetik

► Genetik hastalıkların teşhisi, gen terapisi ile mikroorganizmaların kullanılarak aşı ve interferon gibi savunma proteinlerinin ve çeşitli hormonların üretilmesi genetik mühendisliğinin ve biyoteknolojinin sağlık alanındaki uygulamalarına örnektir.

► Biyoteknolojik çalışmalar; aşı, serum, antibiyotik ve hormon gibi çeşitli maddelerin üretimi ile sağlık sektörüne ciddi katkılar sağlamıştır.

► Bu alanda gen klonlaması yolu ile ilk üretilen ürün insülin hormonudur.

► İnsülin; pankreasta üretilen, kan şekerini düzenleyen önemli bir hormondur. İnsanlarda bu hormon üretilemediğinde (Tip-I diyabet) ya da yeterince üretilmediğinde (Tip-II diyabet) şeker hastalığı oluşur.

► Tip-I diyabet hastaları, insülin hormonunu dışardan günlük dozlar hâlinde almak zorundadır.

► Daha önceki yıllarda insülin, çeşitli memeli hayvanlardan az miktarda alınabiliyordu.

► Ancak bu şekilde elde edilen insülinin hem maliyeti yüksekti hem de bazı insanlarda alerjiye neden olabiliyordu.

Canlı Klonlama

Klonlama Nedir?

► Klonlama, bir canlının genetik ikizinin oluşturulması olarak tanımlanabilir.

► Hayvan klonlamasında klonlanacak canlının bir vücut hücresinin çekirdeği çıkartılır.

► Bu çekirdek, aynı tür dişi bireyin çekirdeği çıkarılmış yumurta hücresine özel tekniklerle aktarılır.

► Bu hücre, zigot görevi görür ve aynı tür farklı dişi bireyin uterusuna (döl yatağına) yerleştirilir.

► Gebelik tamamlandıktan sonra doğan yavru, hücre çekirdeği alınan hayvanın kopyası olur.

► Bu yöntemle kurbağa, semender gibi birçok canlı kopyalanmıştır.

► 1996’da İskoç Bilim insanı Dr. Ian Wilmut (İyan Vilmut) ve ekibi, ilk kez memeli bir hayvanı kopyalamışlardır.

► Bunun için dişi bir koyunun meme hücresinden çıkarılan çekirdek, başka bir koyunun çekirdeği çıkarılmış yumurta hücresine aktarılmıştır.

► Zigot özelliğine sahip bu hücrenin mitoz bölünmesi ile elde edilen embriyo; başka bir koyunun döl yatağına aktarılmış, gebelik süresinin sonunda Dolly (Doli) adı verilen kuzu dünyaya gelmiştir.

► Dolly, hücre çekirdeği alınan koyun ile genetik ikiz olmuştur.

► Bu olay bilim dünyasında çok ses getirmiştir.

► Bu yöntemle verimli hayvan ırklarının özellikleri korunarak çoğaltılabilecektir.

► Özellikle nesli tükenme tehlikesi altında olan hayvanlar kolaylıkla üretilebilecektir.

İlaç Üretimindeki Rolü

► 1980’li yıllarda biyoteknoloji sayesinde insan DNA’sındaki insülin üretimini sağlayan genin bakterilere aktarılmasıyla çok miktarda ve ucuza insülin hormonu üretilmiştir.

► Daha sonraki yıllarda başka hormonlar ve antibiyotikler de bu şekilde kolaylıkla elde edilmiştir.

► Bakterileri yok etmede kullanılan antibiyotikleri sentetik olarak üretmek hem zor hem de pahalıdır.

► Günümüzde birçok antibiyotik, DNA teknolojisi ile daha ucuza ve fazla miktarda üretilmektedir.

Aşıların Üretilmesindeki Rolü

► Günümüzde insan sağlığını tehdit eden ve salgınlara neden olan birçok bulaşıcı hastalık, virüs kökenlidir.

► Virüsleri bakterilerde olduğu gibi antibiyotikler ile yok etmek mümkün değildir.

► Virüslerin neden olduğu hastalıklar, güçlü bağışıklık sistemi ile yok edilebilir ve bunun için de aşılanmak en etkili yoldur.

► Bağışıklık sistemi hücreleri, virüsleri taşıdıkları protein kılıflarından ayırt ederek gerekli bağışıklığı oluşturmaktadır.

► Bunun için sağlıklı insanlara virüsü çevreleyen kılıftaki proteinler verilerek bunları virüs gibi algılamaları sağlanır.

► Gerekli bağışıklık oluşturulabilir.

► Bu amaçla bazı bakterilere, protein kılıf sentezinden sorumlu virüs DNA’ları aktarılarak bakterilerin virüslere ait proteinlerden bolca üretmesi sağlanmıştır.

► Elde edilen bu proteinlerden de çeşitli aşılar üretilmiştir.

► Türk bilim insanları ulusal ve uluslararası alanda yeni tip korona virüse(Covid-19) yönelik başarılı aşı çalışmaları yapmaktadırlar ve halen farklı aşı çalışmaları devam etmektedir.

İnterferon Üretimine Katkısı

► Parazit, bakteri, virüs ve tümörlere karşı vücudumuzda üretilen ve interferon denilen bağışıklık molekülleri, aynı yöntemle üretilebilmektedir.

► İnterferon üretiminde E. coli gibi bakterilerden, çeşitli transgenik canlılardan yararlanılmaktadır.

► İnterferonlar kanser tedavilerinde sıklıkla kullanılmaktadır.

► Son yıllarda biyoteknoloji alanında yapılan çalışmalar, özellikle DNA ve mRNA’daki nükleotit dizilerini belirleme tekniklerindeki gelişmeler, tıp alanında çalışan araştırmacılara genleri karşılaştırma olanağı vermiştir.

► Bu karşılaştırmalar, kişiye özgü kanser tedavilerinin uygulanmasını sağlamıştır.

► Rahim ağzı kanserinin önlenmesinde biyoteknolojik yöntemlerle geliştirilen aşılar kullanılmaktadır.

► Modern biyoteknolojik çalışmalarla, tıbbi uygulamalarda bazı hastalıkların tedavisinde kullanılmak üzere uygun özelliklere sahip çeşitli virüsler de üretilmiştir.

Gen Terapisi

► Canlılarda bulunan işlev ve yapıca bozuk genlerin tespit edilmesi, değiştirilmesi ve onarılmasını sağlayan uygulamalara gen terapisi denir.

► Gen terapisi, erken embriyonik dönemde kusurlu genlerin tespit edilerek değiştirilmesine ve çeşitli hastalıklara neden olabileceği tahmin edilen genlerin onarılmasına olanak sağlamaktadır.

► Böylece kalıtsal hastalıkların ve istenmeyen genetik özelliklerin bir sonraki nesle aktarılması önlenmiş olacaktır.

► Günümüzde gen terapisi ile ilgili çalışmalar hızla devam etmektedir. İnsan genomu ile elde edilen bilgiler sayesinde kanser, kalp ve damar hastalıkları, hemofili ve şeker hastalığı gibi birçok rahatsızlığın tedavi edilebileceği öngörülmektedir.

Genetik Danışmanlık Nedir?

• Kalıtsal hastalığı olan veya bu tür hastalıkları taşıma riski bulunan bireylere uygulanması gereken testler, hastalıkların olası sonuçları ve varsa tedavileri ile ilgili bilgi verilmesidir.
• Genetik danışmanlık, genetik uzmanları veya bu konuda eğitim almış doktor ve biyologlar tarafından verilmektedir.
• Genetik danışmanlar, tespit edilen kalıtsal hastalıklar ve problemlere karşı alınabilecek önlemler ve yapılacak testler hakkında bilgi vererek çözüm önerileri sunar.

Gen Danışmanlığının Kullanım Alanları

• Aile ve akrabalarında kalıtsal hastalık görülen kişilere, akraba evliliği yapmış, bir veya birden fazla sayıda anormal bebek doğumlarının görüldüğü kadınlara ve doğum öncesi genetik risklerini öğrenmek isteyen çiftlere genetik danışmanlık almaları önerilmektedir.
• Genetik danışmanların olası genetik hastalıklarla ilgili tam ve doğru bilgi vermesi oldukça önemlidir.
• Danışmanlık yapan kişi; asla yönlendirici olmamalı, son kararı ilgili kişilere bırakmalıdır.

• Genetik mühendisliği çalışmaları ile üretilen transgenik mikroorganizmalar, çevre sorunlarının çözümünde yaygın olarak kullanılmaktadır.
• Kanalizasyon sularının arıtıldığı sistemlerde mikroorganizmalardan yararlanılmaktadır.
• Ayrıca bazı bakteriler, ağır metallerin (bakır, kurşun, nikel vb.) doğada birikmesini önlemektedir.

• Petrol ve türevlerinin çevreye verdiği zarar, transgenik mikrooganizmalar ile en az seviyede tutulmaya çalışılmaktadır.
• Tuzlu ve soğuk sularda yaşayabilir şekilde üretilen transgenik mikroorganizmalar, deniz ve okyanusların temizlenmesinde kullanılmaya başlanmıştır.
• Topraktaki ağır metaller, bunları bünyelerinde depolayabilen transgenik bitkilerle topraktan uzaklaştırılmaktadır.
• Transgenik organizmalar, özellikle mineral madenciliğinde sıklıkla kullanılmaktadır.
• Rekombinant DNA teknolojisi ile endüstriyel enzimler, hızlı ve ekonomik şekilde üretilmektedir.
• Bu tip enzimler, çevre kirliliğinin önlenmesinde, deterjanlarda, tekstilde ve kâğıt sanayisinde kullanılmaktadır.
• Çeşitli vitaminler, antibiyotikler ve bazı deterjanlar biyoteknolojik çalışmalar sonucu üretilmiş endüstriyel ürünlerdir.

Biyogüvenlik ve Biyoetik

• Günümüzde genetiği değiştirilmiş organizmaların gıda katkı maddesi ya da gıda ürünü olarak kullanılması, birçok tartışmayı beraberinde getirmiştir.
• Bu tür gıda maddelerinin özellikle insan sağlığına ne gibi etkilerinin olduğu tam olarak bilinmemektedir.
• Ancak bu gıdalarla beslenenlerde çeşitli alerjik reaksiyonlar olduğu saptanmıştır.

• Bunun yanı sıra birçok bilim insanı, genetiği değiştirilmiş organizmaların dünyadaki açlığa çare olabileceğini de ifade etmektedir.
• Genetiği değiştirilmiş organizma içeren besinleri insanların tüketimine sunan şirketler, ticari kaygılardan dolayı bu tür maddelerin besin etiketinde yer almasını istememektedirler.
• Uzmanlar, genetiği değiştirilmiş organizma içeren besinlerin uzun süreli kullanımlarda kansere de yol açabileceğini ifade etmektedirler.
• Genetiği değiştirilmiş ürünlerin bitki ve hayvanlara zarar vereceği, ekolojik olarak telafisi mümkün olmayan problemlere neden olabileceği de öngörülmektedir.

Biyogüvenlik

• Biyogüvenlik transgenik ürünlerin olası risklerinin değerlendirilmesi ve kontrol altına alınması, modern biyoteknolojinin insan sağlığı ve çevreye zarar vermeden uygulanmasını sağlamak için alınması gereken politik ve işlevsel önlemlerin tümü olarak tanımlanmıştır,
• Genetik yapısı değiştirilmiş organizmaların ve bunlara ait ürünlerin kısa ve uzun vadede insan sağlığına ve çevreye ne gibi etkilerinin olacağı tam olarak bilinememektedir.

• Bu nedenle 24 Mayıs 2000 tarihinde Türkiye de dâhil olmak üzere 130 ülke, genetiği değiştirilmiş organizmalı ürünleri riskli kabul eden “Biyogüvenlik Protokolü’nü” imzalamışlardır.
• Türkiye’de biyogüvenlik, 5977 sayılı yasada “İnsan hayvan ve bitki sağlığı ile çevre ve biyolojik çeşitliliği korumak için genetiği değiştirilmiş organizma ve ürünleri ile ilgili faaliyetlerin güvenli bir şekilde yapılması” olarak tanımlanmıştır.
• Bu tanımdan yola çıkılarak herhangi bir transgenik canlının veya ürününün kullanıma sunulmadan önce olası risklerinin değerlendirilmesi ve diğer ülkelere ihraç edilmeden önce ithalatçı ülkelerin onayının alınması zorunlu hâle getirilmiştir.

Biyoetik

• Biyoetik, biyoloji ve tıp alanındaki gelişmelerin meydana getirdiği tartışmalı ve etik konuları inceleyen özel bir disiplindir.
• Klonlama, kök hücre tedavileri, yapay döllenme insanlar üzerinde yapılan deneyler ve genetiği değiştirilmiş organizma üretimi gibi konular; biyoetiğin inceleme alanındadır.
• Biyoetik kavramı bilimdeki hızlı değişimlerin ahlaki değerlere uygun olması gerektiği düşüncesinden doğmuştur.
• İnsan Genom Projesi; kalıtsal hastalığa sahip bireylerde hastalığa neden olan genlerin belirlenmesi ve bu hastalıkların önceden teşhis edilerek tedavi edilmesi, doku ve organların uygunluğunun tespit edilmesi gibi faydaları beraberinde getirmiştir.
• İnsan Genom Projesi’nin sağladığı birçok faydanın yanı sıra etik açıdan bazı sorunlara da neden olabileceği düşünülmektedir.
• Örneğin bir kişinin bir hastalığa karşı yatkınlığını öğrenmesi kişinin ve yakınlarının bu durumdan psikolojik olarak etkilenmesine yol açabilir.
• Aynı zamanda işverenlerin bu özellikteki kişileri işe almak istememesi ve sigorta şirketlerinin sağlık sigortası yapmaması kişinin zor durumda kalmasına neden olabilir.
• Bu anlamda kişilerle ilgili genetik bilgilerin gizliliğine azami ölçüde dikkat etmek gerekir.

Biyoetik Çalışmaların Tarihçesi

• Biyoetik çalışmalar; hukuk, felsefe, tıp, ilahiyat, genetik ve biyoloji gibi bilim dalları ile sürekli bilgi alışverişi yapmaktadır.
• Biyoetik, bilimsel çalışma ve araştırmalarda nelere izin verilip nelerin yasaklanması gerektiğini etik olarak açıklamaya çalışır.
• Böylece bu konularda belirli bir standart oluşturmayı hedeflemektedir.

• Ancak toplumlardaki farklı kültürel, hukuksal ve felsefi yaklaşımlar nedeniyle küresel bir standart oluşturmak oldukça zordur.
• Buna rağmen, 1997 yılında UNESCO’nun İnsan Genomu ve İnsan Hakları Bildirgesi’ nde üreme amaçlı klonlama insan onuruna aykırı bulunduğu için yasaklanmıştır.
• Hayvanlar üzerinde yapılan klonlama çalışmalarında oluşan klon canlıların bağışıklık sistemlerinin zayıf olması ve beklenen yaşam sürelerinin kısa olması, klonlama çalışmalarının sonuçlarını tartışılır hâle getirmiştir.
• Ayrıca bu çalışmalar insanların da klonlanabileceğini bu durumun da sosyoekonomik ve kültürel bağlamda sakıncalar doğurabileceğini göstermiştir.
• Avrupa Konseyi İnsan Hakları ve Biyotıp Sözleşmesi Türkiye tarafından da imzalanan bir sözleşmedir.
• Bu sözleşmeye göre canlı veya ölü insanların kopyalarının oluşturulması yasaklanmıştır.
• Bilimsel çalışmalarda embriyonik kök hücre kullanımı ülkelerin iç hukuk düzenlemeleri ile sağlanmaktadır.
• Ülkemizde araştırma amaçlı insan embriyosu oluşturmak ve embriyoyu araştırmalarda kullanmak iç hukuk ile yasaklanmıştır.
• Genetiği değiştirilmiş organizma ürünlerinin yararlarının yanı sıra insan sağlığını olumsuz etkileyecek zararları veya risklerinin olduğu da düşünülmektedir.
• Genetiği değiştirilmiş organizmaların insanlarda birçok alerjik reaksiyona sebep olduğu görülmüştür.
• Yapılan bir çalışmada alerjik özelliği olduğu bilinen Brezilya fındığından alınan bir gen, besin içeriğini zenginleştirmesi için soya fasulyesine aktarılmıştır.
• Ancak bu genin sentezlediği proteinin Brezilya fındığındaki alerjik proteinlerden biri olduğu ortaya çıkmış ve transgenik soya fasulyesi geliştirilmesine son verilmiştir.

• Genetiği değiştirilmiş organizmalar hakkında tartışılan bir diğer konu da gen aktarımının başarılı olduğu organizmaları seçmek için işaretleyici gen olarak kullanılan dirençli genlerin aktarılmak istenen asıl genle birlikte kullanılmasıdır.
• Örneğin antibiyotiğe dirençli genlerden bu amaçla yararlanılmaktadır. Ancak bu genlerin hastalık yapan mikroorganizmalara geçmesi durumunda ortaya çıkacak enfeksiyonların kontrol altına alınması zorlaşacaktır.
• Transgenik bitki üretiminde kullanılan genlerin doğaya yayılması durumunda ekolojik dengeleri bozarak büyük bir tehlike oluşturacağı düşünülmektedir.
• Genetik yapısı değiştirilmiş besinlerin toksik olabileceği, bağışıklık sistemi bozuklukları ile virütik enfeksiyonlara yatkınlık oluşturabileceği belirtilmiştir.
• Zararlı böceklere karşı dirençli mısırlarla beslenen sıçanlar üzerinde yapılan çalışmalar sonucunda akyuvar sayılarında, böbrek ağırlıklarında ve albümin/globülin oranlarında önemli değişmelerin olduğu görülmüştür.
• Bu sebeplerden dolayı biyoteknolojik ürünlerin üretiminin ve tüketiminin kontrollü bir şekilde yapılması biyolojik açıdan oluşabilecek birçok sorunu önleme bakımından oldukça önemlidir.