Biyoloji Araştırmaları, Moleküler Boyutu ve Önceliklerimiz Prof

Biyoloji Araştırmaları, Moleküler Boyutu ve Önceliklerimiz
Prof. Dr. Nermin Gözükırmızı
İstanbul Üniversitesi Fen Fakültesi, Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü
[email protected], http://www.istanbul.edu.tr/fen/mbg/personel.php?id=30
Biyoloji eski Yunanca’da
bio, “hayat"; ve logos, “kavrama"“Hayatı kavrama“anlamına
gelmektedir., Doğal Bilimlerin bir bölümü olup, Canlı organizmalar, onların çevre ile
ilişkileri, sınıflandırılması, yapı, işlev, büyüme, köken, evolüsyon ve dağılımlarını araştırır.
Hücre teorisi, evolüsyon, genetik ve homostasis ile ilgilenir. Ayrı bir bilim dalı olarak
19.yüzyılda tanımlanmıştır. Botanik, zooloji, mikrobiyoloji, biyokimya, moleküler biyoloji,
hücre biyolojisi, fizyoloji, ekoloji gibi alanları vardır.
İnsanın Evolüsyonu; yaklaşık 200. 000 yıl önce başlamış ve yerleşik düzene geçişle 10. 000
yıl önce ziraat devrimi başlamıştır. İnsanın kültür evolüsyonu ise 3.000 - 4.000 yıl önce yazılı
dili ve alfabeler ile oluşmuştur. 600 yıldır kitaplar bulunmaktadır ve son 50 yıldır elektronik
ortam yaşamımızı etkilemektedir.
Biyoloji araştırmalarının gelişmesi teknolojik gelişmelerle yakından ilgilidir. Mikroskobun
Lovenhook tarafından bulunması, hücre yapısını ve eşem hücrelerinin izlenmesi için bir araç
olmuştur. Bu yolla canlının özelliklerini kazanmasında anne ve babanın eşit rolleri olduğu
anlaşılmıştır. Mendel (1866) bezelyelerle yaptığı deneylerin melezleme deneylerinin
sonuçlarını matematiksel verilerle açıklayarak Genetik biliminin temellerini atmıştır.
Schleiden ve Schwann
(1866) hücre teorisini ortaya sürerek tüm canlıların hücrelerden
yapıldığını bunların bir tür temel yapı taşı olarak tüm canlıyı oluşturma yetenekleri olduğunu
bildirmişlerdir. Darwin’in (1859) Galapagos adalarına yaptığı seyahat sonrası ileri sürdüğü
evolüsyon teorisi, Lamarck’ın (1778) sonradan kazanılan özelliklerin döllere geçtiği
yolundaki varsayımlar günümüzün en önemli tartışma ve araştırma alanlarını oluşturmuştur.
İlk genetik tanımı
Bateson (1909) tarafından yapılırken Johannsen (1909) gen tanımını
literatüre sokmuştur. Genetik genler ile çalışan bir bilim dalıdır. Genetikçiler moleküler,
hücresel, organizmalar, aileler,
1953 yılında
populasyon veya evolüsyon düzeyinde genler ile çalışırlar.
Watson ve Crick tarafından DNA molekülünün çift sarmal yapısının
açıklanması
günümüzdeki
moleküler
biyoloji
ve
genetik
çalışmalarının
temelini
oluşturmuştur. 20.Yüzyıl Mendel ve bezelyeler ile başladı ve Arabidopsis genom projesinin
tamamlanması ile bitti. 21.Yüzyıl; bilgi ve teknolojilerde artış, populasyon büyümesi,
yaşlanma ve göçler, ulusal ve uluslararası ekonomilerde değişimler, iklim değişimleri ve
kısıtlamalar ve moleküler biyolojideki gelişmeler ile geçecek bir yüzyıl olacaktır.
Arabidopsis, Drosophila, maya, insan vb. genom projelerinin tamamlanması genom sonrası
çağı gündeme getirmiştir ve yeni yüksek teknolojilerle yeni araştırma alanları moleküler
biyoloji çalışmalarında yerlerini almıştır. Bu yeni alan/ tanımların bazıları aşağıda verilmiştir;
•Genomik: Genomların analizi (yapısal ve işlevsel)
•Biyoinformatik: Biyolojik bilginin depolanması
•Transkriptomik: Gen ürünü RNA’ların analizi
•Proteomik: Proteinlerin analizi
•Metabolomik: Metabolitlerin analizi
•Sistem Biyoloji: Genomik, transkriptomik, proteomik, metabolomik ve biyoinformatik
verilerin belli bir biyolojik sistemi oluşturmak için integrasyonu
•Epigenetik ve epigenomik –DNA dizi değişimlerinin (mutasyon) dışındaki faktörlerle oluşan,
gen anlatımındaki tüm değişikliklere verilen genel bir tanımlamadır. Epigenetik değişiklikler
kalıtsaldır fakat potansiyel olarak geri dönüşebilir.
Gerstein ve ark. (2007) potansiyel olarak üstüste binebilen işlevsel ürünleri kodlayan
genomik dizilerin birliğini GEN olarak tanımlayarak çok az sayıda genin çok sayıda proteini
şifrelemesini kapsayan tanımı devreye sokmuştur. ‘‘GENON’’ (‘‘Gene’’ ve
birleşimi bir terimdir.
‘‘operon’’)
Özel bir genle mRNA düzeyinde DNAnın orijinal nükleik asid
dizisinde ve pre-mRNA (Scherrer and Jost 2007) trans- faktörler taşıyan genon mRNA
‘‘transgenon’’ olarak adlandırılır. RNA’nın çok önemli bir düzenleyici molekül olduğu mikro
RNA’lar ve türevleri ile çok önemli bir araştırma alanını oluşturmuştur.
Gelişim genetiği bu çalışmalara paralel olarak büyük ivmeler kazanmıştır ve kök hücre
çalışmaları ile özellikle çaresi olmayan pek çok hastalık için ümit verici çalışmalar büyük bir
hızla sürdürülmektedir.
Biyoteknoloji; biyolojik sistemlerin, canlı organizmaların, ürünlerinin ve aktivitelerinin
özgün kullanımlar için belli amaçlar doğrultusunda rekombinant DNA teknolojisi kullanılarak
değiştirilmesi işlem ve sürecidir.
Gen teknolojisi aracılığı ile genetik yapısı değişikliğe uğratılmış bir organizma
(mikroorganizma, bitki veya hayvan) genetiği değiştirilmiş (transgenik) organizma
(GMO)=(GDO)=(LMO) olarak da tanımlanmaktadır. Genetik değişim genellikle yabancı bir
DNA parçasının organizmanın kalıtım maddesi ile bütünleşmesi sonucu gerçekleşmektedir.
Bu teknoloji ancak yetkin bilim insanlarının donanımlı laboratuarlarda uygulayacağı bir
teknoloji olmakla birlikte günümüzde biyoteknoloji şirketleri bu konuda yatırımlar yaparak,
bilim insanlarını ve ar-ge faaliyetleri ile laboratuarları bünyelerine katarak, patentler alarak ve
hatta borsaya hisselerini koyarak sektörü milyon dolarlarla tanımlanan bir alan haline
getirmişlerdir. Diğer taraftan genetik materyelin doğada kendiliğinden oluşan değişimlere
gore çok daha hızlı bir biçimde değişik canlılar arasında dolaşımına olanak veren bu teknoloji
etik ve sosyal sorunları da beraberinde getirmiştir. Örneğin; ilk ticari GMO bitki raf ömrü
uzatılmış domates 1994 yılında piyasaya sürülmesine karşın günümüzde 110 milyon hektar
alanda bu yöntemlerle geliştirilmiş bitkiler ekilmektedir dolayısı ile de ürün çeşitli formlarda
kullanılmaktadır. 250.000 kadar bitki çeşidi olmasına karşın bu şekilde üretimi gerçekleşen
bitkiler katma değeri olan 30-40 kadar türdür. GMO’ların insan sağlığı ve çevre dengeleri
yönünden uzun süreli kumulatif etkilerinin neler olacağı bilinmemektedir. Bu nedenle tüm
gelişmiş ülkelerde bu konuda yasalar yapılmıştır ve laboratuarda üretim aşamasından
başlayarak sıkı denetimler konularak, sera, kontrollu çevre, çeşitli testler sonucu ürünler
piyasaya sürülmektedir. Avrupa Birliği mevzuatında da konuya Tüketici Hakları yönünden
büyük önem verilmektedir. “Joint Research Center” (JRC) bu konuda mevzuatın bilimsel
değerlendirilmelerinin yapılmasında Avrupa Birliği Üyelerinin konu ile ilgili Akredite
Laboratuarlarındaki uygulamaları düzenlemektedir.
Genetik olarak yapıları değiştirilmiş organizmaların ve bunlardan türevlenen gıdaların
analizleri günümüzde dezoksiribonükleik asit (DNA), ribonukleik asit (RNA) , protein veya
metabolitler düzeyinde farklı yöntemler kullanılarak ancak yetkin bilim insanları tarafından
yapılabilmektedir. Tek standart bir teknoloji bulunmayıp bu konuda yardımcı olabilecek yeni
Moleküler Biyoloji ve Genetik Teknolojilerinin (transkriptomik, proteomik, metabolomik vb.)
geliştirilmesi konusunda Çerçeve Projeler de gerçekleştirilmektedir. Bir GMO analizinde üç
soruya yanıt vermek gerekir: 1. GMO var mı, yok mu ? 2. Hangi gen/ürün var? 3. Ne kadar
var? Genetiği değiştirilmiş bir ürünün veya ondan türevlenmiş faklı ürünlerin analizi için
gerekli aşamalar şöyle sıralanabilir: analiz edilecek materyalden uygun miktarda uygun
biçimde örnek alınması, örneğin homojenize edilerek ilgili analiz için gerekli izolasyon veya
saflaştırmanın yapılması, saflaştırılan DNA, RNA, protein veya metabolitin analizi, pozitif
sonuç alındığında genetik olarak değiştirilmiş maddenin tanısı ve miktarının belirlenmesi..
Protein düzeyindeki analizler genellikle
antikor ve antijenin özgün olarak bağlanması
temeline dayanan immünolojik testlerdir. Bu tip uygulamalardan biri olan ELISA (“Enzyme
Linked Immunosorbent Assay”), aranan proteinin
kendisine uygun olarak geliştirilmiş
antikor ile etkileşimi sonucu oluşan renk değişimi, reaksiyonun gerçekleştiğini belirtir. Özgün
antikor emdirilmiş kağıt şeritler”Lateral flow strip” pratik olarak
yaprak ve tohum
örneklerinde kullanılmaktadır. Polimeraz zincir reaksiyonunu (PCR) ise GMO’ların DNA
düzeyinde belirlenmesinde sıklıkla kullanılan, moleküler biyoloji çalışmalarına hız
kazandıran bir yöntemdir. Genetik yapıları değiştirilmiş bitkiler çoğunlukla karnıbahar
mozaik virüsüne ait 35S promotörü, nopaline sentaz terminatör dizilerini ve kanamisin
direnç genini içermektedir. Klasik PCR analiz sonuçları GMO’ların tanısında sadece bu
hedef dizilerin varlığını veya yokluğunu göstermektedir. Avrupa Birliği mevzuatında yer alan
izinli GMO ürünlerinde uygulanan %1 eşik değeri tanımlanması ve ürünün tüketici hakları
yönünden etiketlenerek pazara sunulması konusunda yardımcı olmamaktadır. Son yıllarda
geliştirilen gerçek zamanlı PCR (real-time PCR) sistemleri ile GMO tanıları kantitatif olarak
yapılabilmektedir.
GMO
analizlerinde
transkriptomik,
proteomik
ve
metabolomik
teknolojileri de önemli bir yer tutmaktadır. Bu teknolojilerin yurdumuzda da uygulamaya
sokulması için işbirliği içinde yeni laboratuar
altyapılarının uygulamaya geçirilmesi
gerekmektedir. Yurdumuzda konu ile birinci dereceden ilgili kuruluş Tarım ve Köyişleri
Bakanlığıdır. Yurdumuzdaki ilgili kuruluşların ve Laboratuarların
Avrupa Birliği tanı
merkezleri ağının içinde yer alması, ülkemize kontrollu veya kontrolsuz olarak giren GMO ve
GMO türevli ürünlerin tanısı, çevre ve insan sağlığı yönünden önlemler alınması konusunda
büyük önem taşımaktadır. Avrupa Birliği Mevzuatı ile uyumlu “BİYOGÜVENLİK YASA
TASARISI”nın kısa sürede
uygulamaya girmesi ile ülkemizde yurt sathında yapılacak
çalışmalarla yetkin bilim insanlarının denetiminde
uygun laboratuar alt yapılarının
oluşturulması ve denetimler konusunda büyük aşamalar kaydedilmesi beklenmektedir.
Ülkesel eğitim programlarında;
DNA işlevleri
Organizmalar
Kalıtım, gelişme ve çeşitlilik
Evolüsyon
Yeni kariyer alanları
Etik konular
Sosyal yansımalar
Kendi yaşamını öğrenme
Çok disiplinli genetik çalışmalar
Sağlık uygulamaları
Yaşam formları gibi konular detaylı olarak işlenmelidir.
Genetik kavramı yuvalardan başlayarak tüm İlköğretim ve Lise öğretiminde verilmelidir.
Konu ile ilgili Türkçe Web siteleri geliştirilmelidir. Bu konudaki önemli Türkçe ve diğer
dillerdeki web siteleri ekte sunulmuştur. Günümüz Fen Öğretmenlerine bu konulardaki
gelişmeleri izleyip ve öğrencilerine aktarma yönünde büyük sorumluluklar düşmektedir.
Yüksek öğretimin ana temellerinin Orta öğretimde hatta İlköğretim ve Yuvalarda başladığını
unutmazsak değişen 21. Yüzyıl koşullarına gençlerimizi daha iyi hazırlayabiliriz.
Biyoloji, Genetik ve moleküler biyoloji eğitimi ile ilgili web siteleri
http://www.nclark.net/Biology#General
http://www.academicinfo.net/biologyed.html
http://www.johnkyrk.com
DOLAN DNA LEARNING CENTER
http://www.dnaftb.org/dnaftb
www.dnai.org/index.htm
http://www.ygyh.org/
http://www.dnalc.org/home.html
http://www.eugenicsarchive.org/eugenics/
http://www.accessexcellence.org/
http://www.hhmi.org/biointeractive/
www.bioservers.org
www.geneticorigins.org
www.genbilim.com
www.biyolojici.com
www.dnamiz.com
www.lisebiyoloji.com