Bitki Biyoteknolojisi Biyoteknolojisi ve Açılımları Açılımları

Bitki Biyoteknolojisi ve
Açılımları
YIBO--2009
YIBO
Doç. Dr. Tijen Talas-Oğraş
TÜBĐTAK - Marmara Araştırma Merkezi
Gen Mühendisliği ve Biyoteknoloji Enstitüsü
BĐYOTEKNOLOJĐ
Biyoteknoloji; ürün oluşumu için biyolojik sistemlerin
kullanıldığı teknolojik uygulamalar.
• Ekmek, bira, yoğurt, peynir yapımı ve geliştirilmesi
Modern biyoteknoloji: rekombinant DNA teknolojisi
kullanılarak üretim sürecinin hızlı ve güvenli olarak
uygulanması.
• Aşı üretimi
Alanları: hücre ve doku kültürü, moleküler biyoloji,
mikrobiyoloji, genetik, fizyoloji, biyokimya,
bilgisayar mühendisliği
Bitki Teknolojisinin Tarihsel Gelişimi
2.000 MÖ
19.yy
erken 20.yy
Orta 20.yy
1930
1940
1950
1970
1980
1980
1990
2000
2010
Kültüre alma
Melezleme
Mutasyon ve seleksiyon
Hücre kültürü
Somaklonal varyasyon
Embriyo kurtarılması
Poliembriyogenez
Anter kültürü
Rekombinant DNA
Markır ile seçim
Genomik
Proteomik
Metabolomik
Sistem Biyoloji
3
Biyoteknoloji Tarihi
1800-1900 : Temel çalışmalar
1900-1953 : Genetik
1953- 1976: DNA araştırmaları, bilimsel patlama
1977- 2008: Modern biyoteknoloji
1865 - Gregor Mendel (1822 - 1884) “Faktörler
nesilden nesile aktarılır”.
Biyoteknolojideki gelişim
1943-1953 Đlk biyoteknolojik üretimi; kortizon
laboratuvarda hayvan hücreleri üretildi
1953 DNA’nın keşfi; James Watson, Francis Crick
moleküler biyoloji ve genetik araştırmalarda patlama
1966 Genetik kodun şifresi çözüldü (M.Nirenberg, H.
Mathaei, S. Ochoa)
1972 ilk rekombinant DNA molekülünün oluşturulması
(Paul Berg), restriksiyon enzimleri, ligaz enziminin
kullanımı
1972 rekombinant DNA çalışmaları için kılavuz hazırlandı
(NIH: Amerika Ulusal Sağlık Enstitüsü)
1978: rekombinant DNA teknolojisi ile insan insülin geni
bakteriye aktarıldı, üretimi başarıldı (Genentech)
(tanı ve tedavi edici moleküllerin üretiminde DNA dizileme
ve klonlama teknikleri ile hızlandı).
1977: ilk insan proteini bakteride üretildi Genentech,
somatostatin, insan büyüme hormonu
1985 böcek, virüs ve bakteriye dirençli GD bitkilerin ilk
alan denemeleri yapıldı. Đnsanlarda gen terapisi
denemeleri ile ilgili rehber onaylandı (NIH)
1986: ilk rekombinant aşı onaylandı (hepatit) (FDA)
Đlk transgenik tütün bitkisinin ekimi onaylandı (EPA)
1994 transgenik gıda ürünü, “Flavr Savr” domates
onaylandı (FDA)
Bitkilerin önemi:
• Yeryüzündeki birincil üreticilerdir, birincil besin
kaynağıdır
• Havadaki oksijen dengesini sağlarlar
• Çevre dengelerini düzenlerler
• Erozyonu önlerler
• Sessiz fabrikalardır; tıp, kağıt, boya, kozmetik
vb. sanayi uygulamalarında ve enerji alanında
kullanılırlar.
Bitki biyoteknolojisinin alanları:
•Bitki doku kültürü
•Bitkilere gen aktarımı
•DNA parmak izi çalışmaları
Genetik mühendisliği:
Genler ile taşınan DNA bilgisinin farklı bir
hücreye/organizmaya aktarım işlemidir.
Neden gen aktarımı yapılır?
• Bir kimyasal üretiminde
• Organizmanın özelliklerinin değiştirilmesi
Genetik Yapısı Değiştirilmiş Organizma (GDO,
GMO):
Doğal süreçler ile elde edilmesi mümkün olmayan
yeni özellikler kazandırılmış organizma
GDO’ların Tarımsal Alandaki Avantajları:
• Tarımsal ilaç kullanımında azalma
• Verimde artış
•Uygun olmayan iklim ve toprak koşullarında bile
ürün alınabilme
Genetik Modifikasyonların Hedefleri
• Tarımsal ilaç kullanımında azalma
• Herbisit ve böceklere karşı dayanıklılık
sağlanması
• Azot fiksasyonu ve ürün miktarının geliştirilmesi
• Geç olgunlaşma, raf ömrünün uzatılması
• Besinsel özelliklerin geliştirilmesi
• Kısır bitki üretimi
• Verimde artış
•Çevresel koşullara tolerans (kuraklık, tuzluluk)
Uygun olmayan iklim ve toprak koşullarında bile ürün
alınabilme
Genetiği değiştirilmiş ürünlerin avantajları:
Hayvansal üretimde:
- Daha kaliteli et, süt, yumurta verimi
- Hayvan sağlığı ve tanı ile ilgili yöntemlerin
geliştirilmesi
Çevre için:
- Tarım ilacı kullanımının azaltılması
- Toprak, su ve enerjinin korunması
- Doğal atıkların değerlendirilmesi
- Orman ürünlerinin daha etkin işlenmesi
Böceklere/ yabancı ot ilaçlarına toleranslı
transgenik bitkilerin avantajları:
•Böceklere toleranslı bitkiler insektisit kullanımını
azaltabilir.
• Đşçilikten tasarruf sağlanabilir
• Đşçi sağlığı korunabilir
•Etkili bir yabancı ot mücadelesi yapılabilir
•Mısırda Fusarium kaynaklı mikotoksinler
azalmaktadır (Munkvoldve ark. 1999).
DNA (deoksiribonükleik asit)
DNA kromozom içinde sıkıca paketlenmiştir:
DNA’nın agaroz jelde görüntülenmesi:
DNA parmakizi profilleri
DNA parmakizi:
Anne
Çocuk
Erkek
Hayvanlara gen aktarımı
• Çıplak DNA ‘nın aktarımı
Mikro enjeksiyon, elektroporasyon
•Virüs ile yönlendirilen gen aktarımı
DNA mikroenjeksiyonu ile transgenik fare eldesi
Gen aktarımı için vektör hazırlığı
Bitkilerde genetik mühendisliği
Bakteri
Bitki hücresi
Bakteri DNA’sı
Gen
Transformasyon
• Agrobacterium
• Biyolistik
• Elektroporasyon
Transgenik bitki
Hücre bölünmesi
24
Agrobacterium
Toprakta yaşayan gram negatif bir bakteri,
Doğal genetik mühendisi,
A. rhizogenes- saçak kök hastalığı
A. tumefaciens- dikotillerde taç tümörü hastalığı
Biyolistik ile bitkilere gen aktarımı:
Elektroporasyon ile gen aktarımı:
DNA ‘nın elektrik akımı ile hücre zarından içeri alınması
27
Gen aktarımında kullanılan çeşitli bitkisel formlar:
Bitki doku kültürü
Aseptik şartlarda yapay bir besin ortamında
hücre, doku veya organ gibi bitki kısımlarından
yeni doku, bitki veya bitkisel ürünlerin
üretilmesidir.
Besin ortamı bileşenleri
•Makro
elementler (azot, fosfor,sodyum,
magnezyum, kükürt, vb.)
•Mikro elementler (demir, manganez, çinko,
bakır, vb.)
•Vitaminler (tiamin, nikotinik asit, vb.)
•Şekerler (sakkaroz, glikoz, vb.)
•Jel yapıcı maddeler (agar, fitajel, jelatin, vb.)
•Amino asitler (glisin, arginin, vb.)
•Bitki büyüme düzenleyicileri
Bitki doku kültürünün bitki ıslahındaki uygulama alanları
Yeni çeşit geliştirmek ve mevcut çeşitlerde genetik
çeşitlilik oluşturmak, türler arası melezlemeler
• Kaybolmakta olan türlerin korunması
• Çoğaltılması zor olan türlerin üretimi
(mikroçoğaltım)
•
Gen aktarımı
Sekonder metabolit üretimi
Sentetik tohum üretimi
Bitki Doku kültürü
Paulownia elongata internod eksplantlarından
direkt somatik embriyo gelişimi
Pamuk embriyolarının doku kültüründe gelişimi
Doku Kültüründe Kavak
Doku kültüründe geliştirilen kavak bitkisi:
Yeni nesil transgenik bitkiler (20052015):
• Bitkilerde aşı üretimi
• Đşlevsel gıdalar ve bitkisel ilaçlar
• Aroma ve tadın değiştirilmesi
• Alerjik etkilerin ortadan kaldırılması
• Fitoremediasyon uygulamaları
• Bitkilerde plastik ve polimer üretimi
Bitki Biyoteknolojisinin Gelişim Evreleri
Değer
Agronomik özellikler
Kalite özellikleri
Bitkisel fabrikalar
Yenilenebilir kaynaklar
Biyodizel uygulamaları
Modern Biyoloji, Moleküler Genetik
Fenotip
Đyileştirilmiş
ürünler
Genotip/genler/DNA
(kalıtım bilgisi)
Genomik
(tüm gen bilgisi)
Genomikten geliştirilmiş tahıllara
1. Faz Genomik platform
Gen
RNA
Genotip
Proteinler
Metabolitler
(Ters genetik)
Organizma
Fenotip
DNA harita
Transkriptom
Proteom
Metabolom
Profil
2. Faz: Geliştirilmiş tahıllar
Moleküler ıslah, transgenik tahıllar (yeni özellikler)
Genetiği Değiştirilmiş Organizmaların
Tanı Yöntemleri:
• DNA’ya dayalı yöntemler
- Klasik, gerçek zamanlı PCR
- Mikroarray (DNA “chip”)
• Proteine dayalı yöntemler
- ELISA
- Şerit testler
- Western blot
• Herbisit uygulaması
• Yeni teknolojiler: transkriptomik, proteomik ve
metabolomik analizleri
Tanı analizinde gereksinimler;
• Hedef moleküller; DNA veya protein
• Yardımcı moleküller
DNA için primer ve prob
Protein için antikor
• Referans materyal
Pozitif ve negatif kontrol
Miktar tayini için kalibre edici materyal
GDO veya GDO içeren ürünlerin analizi:
• Analiz için örnek alınması
• Örneğin homojenize edilmesi
• DNA, RNA veya protein izolasyon
- DNA’ya dayalı yöntemler (PCR)
- RNA’ya dayalı yöntemler (RT- PCR)
- Proteine dayalı yöntemler
- Yeni teknolojiler
• Molekülün belirlenmesi (boyut, renk, hibritleme...)
• GMO’nun miktarının belirlenmesi
• Sonuçların yorumlanması
Örnek
DNA izolasyonu
Baz
çifti
(bp)
500
400
300
200
100
Sonuç
DNA çoğaltımı
180 bp
Elektroforez
Proteine dayalı GDO tanı teknikleri:
- ELISA
- Şerit test
- Western blot
Kağıt şeritlerde immünokromatografik
GDO analizi:
- 10 dakika içinde yanıt oluşur
Đmmünokromatografik GDO analizi:
Böceklere dayanıklı ürünler
Raf ömrü uzatılmış domates
Gray ve ark.1992
Süs bitkilerinde yapılan genetik değişimler
Transgenik Tohum Oluşturma Aşamaları:
• Genin belirlenmesi, klonlama 1-3 yıl
• Vektör hazırlama
1 yıl
• Gen aktarımı
1-2 yıl
• F1 eldesi
1 yıl
• F1’lerin test edilmesi
1 yıl
• Genetik melezleme
1 yıl
• Lab. ve tarla denemeleri,
risk analizleri
3-6 yıl
• Ticarete sunum
1 yıl
Toplam
10- 16 yıl
Đnsan tedavisinde kullanılan ilaçların
transgenik bitkilerde üretimine yönelik
çalışmalar:
•Kistik fibrosis ve karaciğer hastalıklarında kullanılan ά-1antitripsin proteininin çeltik bitkisinde, Gaucher
hastalığında kullanılan ve insan plasentasından elde
edilen glukoserebrosidazis tütün bitkisinde üretilmiştir.
• “Yakın bir gelecekte yüksek fiyatlarla satılan ilaçlar, düşük
maliyetlerle bitkilerde üretilebilecektir. “
Bitki hücrelerinde rekombinant protein üretimi
GDO’ya tepkiler/ olası riskler:
• Gıda güvenliği ve etik ile ilgili
kaygılar
• Çevresel etkiler (genetik erozyon,
gen kaybı)
• Küreselleşme (tekelleşme)
• Şeffaflık ve bilgi eksikliği
• Politik güven eksikliği
• Ekonomik, ticari kaygılar
• Sosyo-ekonomik yapı
Halkın
bunu nasıl
karşılayacağı
nı merak
ediyorum?
Genetiği değiştirilmiş tarım ürünleri veya
bunların türevlerini içeren gıda ürünleri
zararlı mı?
Kişisel genomik test (399$) -2008’in en iyi 50 keşfi
600,000 genetik markırın tanımlanması ve tanısı
90 özellik ile ilgili yatkınlık.
Çeşitli kanserlere
yakalanma yüzdesi…
Evrensel tohum saklama kasası, Kuzey Avrupa Norveç
4.5 milyon tohum örneği, - 18 oC
Verimli bir çalıştay dilerim…
[email protected]