Temel Biyolojik Bilimler Temel Biyolojik Bilimler

Önemli Araştırma alanları
y Temel Biyolojik Bilimler
yU
Uygulamalı Biyolojik Bilimler
l
l Bi l jik Bili l
y Genetik
y
y
Genom çalışmaları
G
l
l
Rekombinant DNA Teknolojisi ‐ Biyoteknoloji çalışmaları
y Kök Hücre çalışmaları
y Nanobiyoteknoloji çalışmaları
Prof Dr Muhsin KONUK
Afyon Kocatepe Üniversitesi
Temel Biyolojik Bilimler
Temel Biyolojik Bilimler
y Genelde flora ve fauna
Genelde flora ve fauna’yı belirleleme çalışmaları yı belirleleme çalışmaları yapılmaktadır
y Bitki floramız üzerinde artık revizyon çalışmalarına Bitki fl
ü i d t k i
l
l
başlanmış bulunmaktadır. Bu çalışmalardan çıkan sonuçlara göre takson sayımız da her geçen gün artmaktadır
y Mantar floramız henüz tam olarak bilinmemektedir…
Mantar floramız henüz tam olarak bilinmemektedir
y Belli başlı birkaç araştırıcı grubu bu çalışmaları yürütmektedir
y Fauna çalışmalarında da kısmen revizyon çalışmalarına başlanmış bulunmaktadır
y Toksikoloji çalışmaları
T k ik l ji l
l
Temel Biyolojik Bilimler
Temel Biyolojik Bilimler
Temel Biyolojik Bilimler
Temel Biyolojik Bilimler
Temel Biyolojik Bilimler
Temel Biyolojik Bilimler
l i l jik ili l
Uygulamalı Biyolojik bilimler
l
l i l jik bili l
y Bugün itibariyle 13.000 civarında bitki taksonumuz bulunmaktadır
y Bunlarım yaklaşık %30’u endemiktir
y Özellikle endemik olan taksonlarımız bize ait hazinelerdir
y Öncelikle bu taksonların genomu belirlenmeli ve patent altına alınmalıdır
y Thermopsis turcica (Eber sarısı) için böyle bir çalışma başlatılma aşamasındadır
y Biyolojik sistemlerin moleküler dizaynını anlama l
y Daha sonra da bunların kronik durumlarla olan ilişkilerini belirleme
y Adaptasyon mekanizmalarının belirlenmesi
Ad t
k i
l
b li l
i
y Çevresel kirleticiler e karşı biyosensor Ç
ş
y
belirleme
y Kirleticilerin etkilerini ortaya koyma
G
P j l i
Genom Projeleri
Uygulamalı Biyolojik bilimler
l
l i l jik bili l
y Genom projeleri ‐ İnsan genom projesi
y Biyoteknolojik çalışmalar ve rekombinant DNA teknolojisinin sağladığı imkanlar, Kopyalama
y Kök hücre çalışmaları
Kök hü l
l
y Nanobiyolojik araştırmalar
y j
ş
y Şubat
2001’de insan
yyayımlanmadan
y
önce;;
genomunun
taslak
sekansı
y Saccharomyces cerevisiae,
y C
Caenorhabditis elegans,
g ,
y Drosophila melanogaster,
y Arabidopsis
p thaliana ve
y Plasmodium falciparum gibi organizmaların taslak sekansları
yayımlanmıştır.
y Ek olarak, E. coli ve Mycobacterium tuberculosis’i de içeren
30’u aşkın mikroorganizmanın tam genom sekansları elde
edilmiştir.
edilmiştir
Prokaryotik Genom
Prokaryotik Genom
Genom y Prokaryotik genom ökaryotik genomdan oldukça farklıdır.
y Genellikle
G
llikl birçok
bi k prokaryotik
k
ik genom 5 Mb’dan
Mb’d daha
d h
küçüktür.
y Örneğin E. coli genomu sadece 4639 kb’dır,
y Maya genomunun 2/5’i büyüklüğündedir
y Tipik bir prokaryotta genom tek bir dairesel DNA
molekülü şşeklinde nükleotitte lokalize olmuştur
ş
y Tüm ökaryotik nüklear genomların temel fiziksel
özellikleri benzer olmasına karşın genom boyutu
organizmalar arasında farklılık göstermektedir.
y Bu genom boyutu
b
10 Mb
b gibi
b düşük
d
k boyutlardan
b
l d
100.000 Mb gibi
aralanabilmektedir.
l
bil kt di
y Prokaryotik genom ökaryotik genomlara göre daha küçüktür.
küçüktür
oldukça
büyük
boyutlara
y Sadece 4405 gen içermektedir.
y Prokaryotlar plazmid olarak adlandırılan bağımsız, dairesel veya doğrusal DNA
molekülü üzerinde bulunan ilave genlere sahiptir.
y Plazmidlerle taşınan genler antibiyotik direnci veya karbon kaynağı olarak toluen gibi
kompleks bileşikleri kullanabilme yeteneği gibi özellikleri kodlamaktadır; fakat
plazmidlerin varlığı zorunlu değildir ve bir prokaryot plazmidi olmaksızın etkin olarak
var olabilmektedir.
y Prokaryotlar genom organizasyonunda belirgin farklılıklar göstermektedir,
y Bazı p
prokaryotlar
y
E. coli g
gibi bölünmemişş bir g
genoma sahipken
p
y Bazıları oldukça kompleks bir genoma sahiptir.
y Örneğin Borrelia burgdorferi B31 853 gen taşıyan 911 kb’lık bir doğrusal kromozoma ve birlikte
533 kb olan ve en az 43
430 g
geni içeren
ç
177 ila 18 doğrusal
ğ
ve dairesel moleküle sahiptir.
p
Ökaryotik nüklear genom
Ökaryotik nüklear genom
Ökaryotik Genom Anatomisi
y Nüklear
Nükl
genom her
h biri
bi i bir
bi kromozom
k
i i i d bulunan
içerisinde
b l
doğrusal DNA moleküllerinden oluşmaktadır.
y Ökaryotik genom iki bileşene ayrılmaktadır:
y Tüm ökaryotlar en az iki kromozoma sahiptir ve
kromozomlar her zaman doğrusaldır.
y Bu seviyedeki farklılık organizmanın biyolojik özellikleri ile
y Nüklear
Nükl
genom
y Mitokondriyal
genom ve kloroplast
(f t
(fotosentetik
t tik organizmalarda)
i
l d )
genomu
ilişkili olmayan kromozom sayısıdır.
y Örneğin maya 16 kromozoma sahiptir ve meyve sineğinin
sahip olduğu kromozomdan dört kat daha fazladır.
y Ayrıca kromozom sayısı genom boyutu ile ilişkili değildir.
değildir
Bazı semender türleri insan genomundan 30 kez daha
büyük genoma sahiptir; fakat kromozom sayısı
insanınkinin
k
yarısı kadardır.
k d d
Mitokondriyal ve kloroplast genom boyutları
Tür
Organizma tipi
Genom boyutu (kb)
Mitokondriyal genom
Plasmodium falciparum
Protozoa
6
Chlamydomonas reinhardtii
Yeşil alg
16
Mus musculus
Vertebrata (fare)
16
Homo sapiens
p
Vertebrata (insan)
(
)
177
Drosophila melanogaster
Invertebrata (meyve sineği)
19
Chondrus crispus
Kırmızı alg
26
A
Aspergillus nidulans
ill id l
A
Ascomycete fungus
f
33
Reclinomonas americana
Protozoa
69
Saccharomyces cerevisiae
Maya
75
Arabidopsis thaliana
Çiçekli bitki
367
Cucumis melo
Çiçekli bitki
2500
Pisum sativum
Çiçekli bitki
120
Oryza sativa
Çiçekli bitki
136
Nicotiana tabacum
Çiçekli bitki
156
Chlamydomonas reinhardtii
Yeşil alg
195
Kloroplast genomu
Ökaryotik genom boyutları
Türler
Genom boyutu (Mb)
Fungi + Maya
Saccharomyces cerevisiae
12.1
Aspergillus nidulans
p g
25.4
54
Protozoa
Tetrahymena pyriformis
190
I
Invertebrata
b
Drosophila melanogaster
180
Bombyx mori (İpek böceği)
490
Locusta migratoria (Çekirge)
5000
Vertebrata
Homo sapiens
3200
Mus musculus (Fare)
3300
Bitkiler
Arabidopsis thaliana
125
Oryza sativa
430
Pisum sativum
4800
Triticum aestivum
16 000
Fritillaria assyriaca
120 000
Taslak veya tam sekansları belirlenmiş organizmalara ait genom örnekleri
Türler
Genom boyutu (Mb)
y
(
)
Yaklaşık gen sayısı
ş g
y
Arabidopsis thaliana (bitki)
125
25.500
Caenorhabditis elegans (nematod)
97
19.000
Drosophila melanogaster (meyve sineği)
180
13.600
33200
00
20.000
0.000
12.1
5800
Ökaryotlar
Homo sapiens
o o sap e s ((insan)
sa )
Saccharomyces cerevisiae (maya)
Bakteri
Escherichia coli
h
h
l K12
4.64
4400
Mycobacterium tuberculosis H37Rv
4.41
4000
Mycoplasma genitalium
y p
g
0.58
5
5500
Pseudomonas aeruginosa PA01
6.26
5700
Streptococcus pneumoniae
2.16
2300
Vib i h l
Vibrio cholerae
El T N 6 6
El Tor N16961
4.03
4000
Yersinia pestis CO92
4.65
4100
Archaeoglobus fulgidus
2.18
2500
Methanococcus jannaschii
1.66
1750
Archaea
BİYOTEKNOLOJİ NEDİR?
BİYOTEKNOLOJİ NEDİR?
9 Biyolojik araç, sistem ve süreçlerin üretim ve hizmet Biyolojik araç sistem ve süreçlerin üretim ve hizmet endüstrilerine uygulanması
9 Endüstriyel uygulamalarda başarılı olabilmek için Bi ki
Biyokimya, Mikrobiyoloji ve Mühendislik bilimlerinin Mik bi l ji Müh di lik bili l i i ortak kullanımı ile mikroorganizmaların, doku ve hücre kültürlerinin kapasitelerinin artırılması
9 Çeşitli yararlı maddelerin üretilmesi için biyolojik özellikleri kullanan bir teknoloji olması
9 Biyolojik araçlar tarafından üretilen materyallerin daha iyi ürün ve hizmet vermek üzere bilim ve mühendislik ilkelerinin uygulanması
9 Biyoteknoloji sadece teknik ve süreçlerin toplamına verilen bir addır.
9 Biyoteknoloji canlı organizmaları ve onların yapıtaşlarını y
j
g
y p ş
tarım, gıda ve diğer endüstrilerde kullanan bir tekniktir.
Biyoteknolojinin başlıca uygulama alanları
Biyoteknolojinin başlıca uygulama alanları
¾ Biyosüreç Teknolojisi
y
y
y
y
y
y
y
y
Alkollü içeceklerin üretimi
Antibiyotik üretimi
y
Memeli hücre kültürleri
Yeni ürünlerin üretimi (Ör: Polisakkaritler)
İlaç üretimi
ç
Organik çözücü üretimi (Ör:Aseton, butanol)
Protein bakımından zenginleştirilmiş gıdaların üretimi
Üretim kapasitesi artışı için fermentasyon tasarımı optimizasyonu
¾ Enzim Teknolojisi
y
y
y
y
y
Özgün kimyasal reaksiyonlar için kullanımları
Enzim immobilizasyonu (tutuklanması)
Yarı sentetik penisilin üretiminde
Nişasta ve sellüloz hidrolizinde
Biyolojik analizler için sensörlerin oluşturulmasında
Bi t k l ji i b l
Biyoteknolojinin başlıca uygulama alanları
l
l l
Biyoteknolojinin başlıca uygulama alanları
k l
b l
l
l l
¾Atık Teknolojisi
¾ Ziraat ve Hayvancılık
y Atıkların yeniden kullanılabilmesi
y
y Atıklardan yeni ürünlerin üretilmesi (Ör: alkol)
9 Besin değeri yüksek, hastalığa dirençli, strese toleranslı yüksek kalitede ve verimde genetik mühendisliği ile geliştirilmiş bitkilerin oluşturulması
¾Çevre Teknolojisi
y Kirliliğin kontrolü
i lili i k
lü
y Atık toksinlerin uzaklaştırılması
y Düşük dereceli madenlerden ve madencilik endüstrisi atıklarından metallerin geri kazanılması
ll i i k
l
¾Yenilenebilen Kaynaklar Teknolojisi
y Kimyasal ham madde ve etanol, metan ve hidrojen üretimi için Kimyasal ham madde ve etanol metan ve hidrojen üretimi için lignosellülozik materyalin yenilenebilen enerji kaynağı olarak kullanılması
y Bitki ve hayvan materyalinin tamamının kullanılması
y
y
9 Hayvancılıkta ürün artırımını sağlamak
¾ Sağlık
y Yeni ilaçların oluşturulması
y İlaçların sadece hastalıklı bölgeye ulaşmasının sağlanması
y Hastalık tanılarının geliştirilmesi
y Aşıların geliştirilmesi
ş
g ş
y İnsan genomunun anlaşılması
y Gen tedavisi
Biyoteknoloji ile ilişkili sektörlerin sınıflandırılması
¾Terapötikler
y Hastalıkların kontrolünde ve tedavisinde kullanılan farmasötik ürünlerin üretimi y Antibiyotik üretimi
y Aşı üretimi
A i i
y Gen tedavisi ile ilgili ürünlerin üretimi
¾Tanı kitleri
y Gıda, çevre ve ziraatta kullanılan tanı ve saptama kitlerin üretemi
¾Gıda
y Çeşitli gıda ürünleri, koruyucular, içecekler ve çeşitli k tk dd l i i ü ti i katkı maddelerinin üretimi ¾Çevre
y Arıtım, Zararlı maddelerin yararlı hale dönüşümü, enerji A
Z
l dd l i l h l dö ü ü ü ji üretimini sağlayan şirketler
¾Kimyasal ara ürünler
Ki
l ü ü l
y Enzimler, DNA, RNA, özgün kimyasalları üreten şirketler
i k tl
¾Teçhizat
y Tüm makine donanımı, biyoreaktörler, "software" ve biyoteknolojiyi destekleyen tüm tüketim maddelerini üreten şirketler
y Biyoteknoloji konu olarak “multidisipliner” yani bağımsız pek multidisipliner yani bağımsız pek çok bilim dalını birarada barındırır. y Eğer biyoteknoloji çalışması yapanları p
g
bir liste altında toplamak gerekirse Biyokimyacılar, Mikrobiyologlar,Genetikçiler, Moleküler biyologlar, Hücre biyologları Botanikçiler Ziraat biyologları, Botanikçiler, Ziraat mühendisleri, Virologlar, Analitik kimyacılar, Biyokimya mühendisleri, y
Kimya mühendisleri, Kontrol mühendisleri, Elektronik mühendisleri ve Bilgisayar mühendisleri bu liste içerisinde sayılabilir sayılabilir. y Ayrıca bu liste oluşturulan yeni bir tekniğin pazarlanmasında sorumlu olan ekonomistler, yöneticiler ve finans işi ilgili olan elemanlar ve yeni bir ürünün patent alınımından sorumlu hukukcular da katılarak genişletilebilir.
i l til bili
9Son 25‐30 yıl, biyoteknolojik gelişmelerin altın çağı Son 25 30 yıl, biyoteknolojik gelişmelerin altın çağı olarak kabul edilmekte, biyoloji, kimya, fizik, biyokimya, mikrobiyoloji ve diğer bilim d ll
dallarındaki yeni buluşlarla bu yeni alan d ki i b l l l b i l desteklenmiş ve insanoğlunun hayallerinin sınırladığı noktaya kadar adım adım gerçekleşmiştir. Biyoteknolojinin Tarihsel Evrimi
y İlk defa, 1919 yılında, Karl Ereky tarafından kullanılan y
j
,
Biyoteknoloji teriminin o zamanki tanımı, anlamı ve kapsamı, günümüze kadar gelişen modern tekniklerin bu alana uygulanması ile, önemli ölçüde değişikliklere uğramıştır uğramıştır. y Karl Ereky, biyoteknolojiyi ‘Biyoteknolojik Sistemler Yardımıyla Hammaddelerin Yeni Ürünlere y
Dönüştürüldüğü işlemlerdir’ şeklinde tanımlamıştır.
y Bu tanım, o zamanki geleneksel biyoteknolojik uygulamalara çok benzemekte idi. Çünkü, o yıllarda l
l k b
k idi Çü kü ll d biyoteknolojik sistemler herhangi bir değişikliğe uğ a
uğratılmadan kullanılmaktaydı. Bunun başlıca nedeni, ada u a
a ayd . u u baş ca ede ,
teknolojinin gelişmemiş olmasıydı.
y
g
y
, y
j
9Dünyada giderek artan sayıda ülke, biyoteknolojik araştırmalarda ve buna bağlı olarak oluşturulan yeni ürünlerin kullanıma çıkarılmasında, bu yönden öncelik kazanarak biyoteknoloji pazarına hakim olmada birbirleriyle yarış haline girmiş bulunmaktadır. 9Bu alanda büyük aktivite gösteren birçok büyük y
g
ç
y
9Ortaya konan her yeni buluş veya teknik, diğer bir uygulamaya, ileriye dönük olarak, büyük katkıda bulunmuş, onun temel ve itici gücünü oluşturmuş b
l
t
l iti i ü ü ü l t
ve yeni ufukların açılmasına ve yeni problemlerin o taya ç
ortaya çıkmasını yol açmıştır. as yo aç şt .
firma kurulmuş ve çok büyük yatırım yapılmıştır. Kısa bir gelecekte biyoteknolojik ürünlerin, aynen mikroelektronik malzemeler gibi gelişmiş mikroelektronik malzemeler gibi, gelişmiş ülkelerin ticarî bir silahı haline geleceği çok açıktır. Biyoteknoloji tarihinde önemli bazı olaylar
y MÖ 6000
y Mayalar ilk kez Sümerler tarafından bira yapımında kullanıldılar
y MÖ 4000
• Mısırlılar maya kullanarak yüzüm kültürü
yapımı
(Gürcistan),
(Gürcistan)
ekmek yapımını keşfettiler
y 1673 y Anton van Leeuwenhoek (1632 ‐ 1723),Protozoa ve bakterilerin fermentasyonda rol oynayabileceğini açıklayan ilk bilim adamı
y 1928
y Alexander Fleming petri kaplarında bir parça küfle çevrelenmiş bölümde tüm bakterilerin öldüğünü keşfetti Böylece penisilin dönemi başladı Fakat 15 yıl keşfetti. Böylece penisilin dönemi başladı. Fakat 15 yıl sonra tıbbi kullanım için uygun duruma geldi.
y 1938 93
y Proteinler ve DNA çeşitli laboratuvarlarda çalışılmaya • 1856
Louis Pasteur Louis Pasteur (1822 ‐1895) mikroorganizmaların fermentasyondan sorumlu olduklarını kesin bir şekilde tanımladı
başlandı. “Moleküler biyoloji” terimi gündeme girdi. 1941 Bir gen bir enzim hipotezi ortaya atıldı
b
h
ld
943
y 1943
y Rockefeller vakfı Meksika hükümeti ile işbirliği yaparak Meksika Tarım Programı başlatıldı. Bu yabancı yardımıyla yapılan ilk bitki ıslahı çalışması olarak d
l l ilk bi ki l h l
l k biyoteknoloji tarihinde yerini aldı. y 1953 y Kortizon büyük ölçekte üretilen ilk ürün
y 1953 –
1953 1976
y DNA ile yapılan yaygın çalışmalar
y 1977 1977 ‐ Günümüz:
y Genetik Mühendisliği çalışmalarının başlaması. y Genentech Genentech, Inc., tarafından somatostatin
Genentech Genentech Inc tarafından somatostatin
(insan büyüme hormonu) bakteriye klonlandı. y 1978
y 1978’de Herbert Boyer San Francisco California Üniversitesi laboratuvarında rekombinant insulin genini E. coli içerisine aktarmayı başardı.
y 1980 y PATENT alınımına izin verilmesi
y ABD yüksek Mahkemesinin petrol yiyen bakteri için patent vermesi ABD ük k M hk
i i t l i b kt i i i t t i y Kary Mullis ve arkadaşları tarafından PCR yönteminin keşfedilmesi.
y 1982
y Genetik mühendisliği ile geliştirilmiş insan insulinin bakteri tarafından G
tik üh di liği il li ti il i i
i
li i b kt i t f d üretilmesi
y 1985
y Böcek, bakteri ve viruslara dirençli bitkilerin toprakta yetiştirilmesi çalışmaları
Böcek bakteri ve viruslara dirençli bitkilerin toprakta yetiştirilmesi çalışmaları
y 1986
y İlk rekombinant aşı (sarılık, Hepatit B)
y 1988
y İlk genetiği değiştirilmiş hayvan olarak meme kanseri çalışmalarında kullanılan fare için patent alınması y 1990
y İlk başarılı gen terapi çalışmasının yapılması y 1994
y İlk genetik mühendisliği ile geliştirilmiş domatesin dünya gıda örgütü tarafından kabulü
99
y 1996
y Biyosensörlerin kullanılması
y 1997 y Doly’nin üretilmesi
y 1998
y Ebriyonik kök hücre üretimi
Eb i
ik kök hü ü ti i
y 1999
y Deli dana hastalığı için hızlı ve hassas tanı sisteminin geliştirilmesi
y 2001…
y Tarihsel evrime göre biyoteknoloji üç temel g
y
j ç
döneme ayrılmaktadır. Bunlar da,
)
y
j Karl Ereky’nin y
y 1) Geleneksel Biyoteknoloji:
tanımladığı biyoteknoloji kapsamında, biyolojik sistemler (genellikle bakteri, maya, mantar) hiçbir modifikasyona uğramadan aynen kullanılmaktaydı. difik
ğ
d k ll l k d Aslında, bu tarihlere ait bilgi ve teknoloji de genetik düzeyde değişiklikler yapabilecek durumda değildi düzeyde değişiklikler yapabilecek durumda değildi. Yaklaşık 20 yıl kadar devam eden bu dönemde biyolojik p y
ç ş
ç
sistemler, ekmek, peynir, alkol, çeşitli alkollü içkiler, sirke, yoğurt gibi maddelerin üretilmesinde fazlaca kullanılmıştır. Bu nedenle de bu periyot, ‘Fermantasyon t k l ji i’ ğ l kl l b
teknolojisi’ ağırlıklı olup buna yönelik üretimi ö lik ü ti i kapsamaktadır. 3) Modern Biyoteknoloji:
3)
y
j Gelişmiş ve modern tekniklerin biyolojik ş ş
y j
sistemlere uygulandığı bu dönem oldukça ileri bir karakter taşımaktadır. 9
Mutasyonlar veya Rekombinant DNA teknolojisi yardımıyla y
y
j y
y
oluşturulan yeni fenotipik karakter taşıyan Mutantlar veya Transgenik organizmalar, endüstride ve diğer alanlarda (mikrobiyoloji, biyoloji, biyokimya, insan ve hayvan sağlığı, hayvan ıslahı, ziraat, çevre vb.) çok fazla kullanılmaya başlanmıştır.
kullanılmaya başlanmıştır
9
Bu gelişmelere paralel olarak, biyoteknolojinin tanımında da değişiklikler yapılmıştır. 1982 yılında OECD
değişiklikler yapılmıştır
1982 yılında OECD’nin raporunda belirtilen tanıma nin raporunda belirtilen tanıma göre biyoteknoloji ‘Temel Bilimlerin ve Mühendislik İlkelerinin, Ham Maddelerin Biyolojik Araçlar Yardımı ile Ürünlere Dönüştürüldüğü ç
yg
ğ
j
ş
Süreçlere Uygulandığı Bir Teknoloji’dir şeklindedir.
9
Bu tarif içine her ne kadar açık olarak belirtilmesede, genetik y
p
y
ç
ğ
düzeydeki manipulasyonların da içinde bulunduğu ‘Moleküler Genetik ve Rekombinant DNA teknolojisi’ de yer almaktadır. 2) Ara Dönem: 1940‐1975 yılları arasını kapsayan bu dö
dönemde, biyolojik sistemlerin endüstride kullanım d bi l jik i t l i dü t id k ll
alanları genişletilmiş ve bazı küçük tekniklerin ilavesiyle de üretim geliştirilmiş ve artırılmıştır Bu ilavesiyle de üretim geliştirilmiş ve artırılmıştır. Bu ara periyot içerisinde antibiyotik, enzim, protein, karbonhidrat, organik asitler, alkol vb. maddeler fazlaca üretilmiştir. 9Bu dönemde, geleneksel biyoteknoloji gibi biyoteknolojik sistemler ve özellikle de bunların g
genomlarında köklü değişiklikler yapılmadığı için, ğş
y p
ğ ç
bugünkü anlamda kullanılan biyoteknolojik uygulamaları pek kapsamamaktadır. Bu nedenlerle d b i bi i i i ibi f
de, bu ara periyot ta birincisi gibi fermantasyon teknolojisine dayanmaktadır. Modern Biyoteknoloji
Modern Biyoteknoloji
9 Bu teknikler yardımıyla organizmanın yaşamı için gerekli bütün bilgilerin toplandığı ve kodlandığı genom kitaplığının = bankalarının kurulması oluşan bankalardan arzu edilen genin izolasyonunun ve kurulması, oluşan bankalardan arzu edilen genin izolasyonunun ve nükleotid dizisinin saptanması ve bu dizilerde değişiklikler yapılması veya başka organizmalara aktarılması, gen regülasyonunun saptanması, hibrit hücreler elde edilmesi mümkündür. 9
Bu teknikler yardımıyla biyoteknolojik aşılar, proteinler, enzimler, antibiyotikler, hormonlar, sitokininler, monoklonal antikorlar, teşhis koruma ve tedavi araştırmalarında kullanılan di
diagnostik maddelerin ve kimyasalların üretilmesi tik dd l i ki
ll
ü til
i gerçekleştirilmektedir. 9
Bu yöntemler ile, doğal koşulları altında ancak yüz binlerce yıl içinde meydana gelebilecek mutasyonları in vitro olarak kısa sürede içinde meydana gelebilecek mutasyonları, in vitro olarak kısa sürede oluşturmak mümkün olmaktadır.
Neden böyle bir teknoloji (Rekombinant DNA Teknolojisi) gelişimine ihtiyaç duyulmuştur?
gelişimine ihtiyaç duyulmuştur?
1) Genellikle bazı belli tipteki hücreleri büyük ölçekte üretmek güçtür. Örneğin memeli hücrelerini özellikle insan kaynaklı olanları ü tü Ö ği li hü l i i ö llikl i
k
kl l l üretmek oldukça zordur. Üremeleri yavaştır. Mikroorganizmaları üretebilmek için kullanılan basit yöntemler bu tip hücreler için kullanılamaz.
2) Doğal kaynakların kullanımı sınırlıdır.
3) Doğal kaynaklardan izole edilen bir ürünün kontaminasyon riski taşıması ör: Serumdan izole edilen bazı faktörlerin (faktör XII) hemofili hastaları için kullanılması bu faktörün izolasyonu sırasında sarılık veya AIDS gibi bazı hastalık etkenleri ile kontamine olması olasılığını ortaya çıkarır.
4) Maliyet
Ekonomik açıdan önemli bitkilerin de genomlarının değiştirilmesi biyoteknolojinin diğer bir önemli konusudur değiştirilmesi biyoteknolojinin diğer bir önemli konusudur. ÔTahıllara atmosferden azotun fikse edilmesi özelliğinin kazandırılması sadece gübre kullanılmamasını sağlayan maliyet azalmasının yanısıra, gübre kullanımı ile kirlenen tarladan yağmur suları ile doğal su kaynaklarının kirlenmesi de önlenebilir. Ô Ancak uzun yılardan beri yapılan bu çalışmalar azot A
k l d b i l b l
l t fiksasyonunun regülasyon mekanizmasında çok sayıda genin etkili olması nedeniyle azot fiksasyonunun tahıllar tarafından yapılması henüz başarılamamıştır. f d l
h ü b
l
Ô Bundan başka tohumlardaki depo proteinlerinin miktarları artırılabilir veya herbisitlere dirençli bitkiler geliştirilebilir. Ayrıca çeşitli hastalıklara dirençli, donmaya dayanıklı raf ömrü uzatılmış bitkiler de geliştirilebilir
dayanıklı, raf ömrü uzatılmış bitkiler de geliştirilebilir.
Bu teknolojinin doğmasına bir başka nedende tamamen y
yeni bir ürünün üretilme isteğidir. ğ
Ô Örneğin endüstride biyokatalizör olarak kullanılan enzimler sınırlı özelliklere sahiptir. Ô Bu özellikler özel spesifite, katalitik aktivite ve stabilitedir.
Ô Enzimi kodlayan gende yapılan modifikasyonlarla En imi kodla an gende apılan modifikas onlarla enzimin yapısı ve diğer özellikleri avantaj yönünde ğş
g
y
y
p
değiştirilerek konak organizmaya sokulur ve yeni bir süper enzim elde edilebilir. Biyoteknolojinin Üretim Süreci
Biyoteknolojinin Üretim Süreci
Ham
madde
y Ticari değere sahip bir ürünün ğ
p
mikroorganizmalar kullanarak yapılan üretimi sırasında endüstriyel biyoteknoloji süreci genellikle 3 temel aşamaya ayrılır
genellikle 3 temel aşamaya ayrılır.
“Upstream
processing”
:
y “Upstream processing”: Hedef mikroorganizma için besin kaynağı olarak kullanılabilecek ham maddenin hazırlanması
y Fermentasyon ve transformasyon: Büyük bir reaktör (100 litreden büyük) içinde antibiyotik amino büyük) içinde antibiyotik, amino asit, enzim gibi arzu edilen ürünün oluşumu (biyodönüşüm) ile sonuçlanan hedef mikroorganizmanın çoğalması
y “Downstream processing”: Arzu edilen ürünün hücre kütlesinden veya besi ortamından ayrılarak saflaştırılması fl t l
Fermentasyon ve
biyodönüşüm
Downstream
processing
Saf ürün
y Mikroorganizmalarla yapılan biyoteknolojik
süreçlerin çoğu genel olarak;
Süreç Müh.
Substrat + Mikroorganizma ÜRÜN şeklinde özetlenebilir.
şeklinde özetlenebilir
Süreç mühendisliği üretim işlemleri (fermentasyon)
Sü
üh di liği ü i i l l i (f
) ve bu işlemler sonucunda oluşan ürünün geri kazanılması ile ilgili yöntemlerin saptanması, ile ilgili yöntemlerin saptanması geliştirilmesi ve optimize edilmesini içeren çalışmaları kapsar.
çalışmaları kapsar
y Ürün hücre biyoması, hücrenin bir metaboliti ya da başlangıç materyalinin transformasyonu d
b l
li i f
sonucu oluşan bir madde olabilir. Bazı durumlarda üretimde canlı organizma yerine mikroorganizmaların ürettikleri enzimler kullanılabilir. Bu durumda;
Süreç
Mühendisliği
Substrat + Enzim Ü Ü
ÜRÜN şeklinde bir eşitlik söz konusudur.
kli d bi itlik ö k
d
y Süreç geliştirilmesinden önce arzu edilen ürünün saptanması gerekir. saptanması gerekir
y Genelde yabani suşlar bu ürünü az oluşturduklarından ürün saptama yöntemleri duyarlı olmalıdır ürün saptama yöntemleri duyarlı olmalıdır. y Süreç geliştirilmesinde çeşitli yöntemler kullanılabilir. Fakat üretimde amaç yalnız bir veya birkaç yöntemi kullanmaktır. Üretim için gerekli olan substrat, toplam imalat fiyatının yaklaşık %50 sini kapsadığından mümkünse besiyeri ucuz ham madde içermeli fakat üretimin artırılması için gerekli olan spesifik katkı maddeleri unutulmamalıdır.
y Fermentasyon sonucunda oluşan ürünün yüksek verimde geri kazanılması
i d i k
l
diğ bi ö
diğer bir önemli li konudur. y Eğer ürün hücre biyokütlesi (biomass) ise oluşan hücreler sürekli toplanır ve fermentasyon devam eder. y Ürün hücre içinde kalabileceği gibi salgılama yeteneğinde olan hücreler tarafından da üreme ortamına salınabilir. t
l bili y Hücrenin parçalanması, ekstraksiyon ve saflaştırma işlemleri sonucunda minimum kayıp ile ürünün geri kazanılması sağlanır.
y Biyoteknolojik süreçlerin en son aşaması elde edilen ürünün kalite kontrolü yapıldıktan sonra paketlenmesi ve tüketiciye bozulmadan sunulmasıdır. l
d
Biyolojik Sistemler
Biyolojik Sistemler
y Archea
y Bakteri
y Mantar
y Böcek
y Bitki
y Memeli hücre hatları
y Böcek, bitki ve memeli
virusları
y Çok hücreli organizmalar (bitki, balık, fare ve evcil hayvanlar
Archea
y Archea’larla yapılan çalışmalar çok yenidir.
y Bu organizmalar ekstrem şartlarda yaşarlar.
g
ş
y ş
y Özellikle tuzluluk açısından çok dirençlidirler.
y Modern tarımın bir sonucu olan aşırı tuzluluğa karşı, Modern tarımın bir sonucu olan aşırı tuzluluğa karşı bu organizmalara ait tuz direnç genlerinin kültür bitkilerine aktarılması kaçınılmaz görünmektedir
Diğer Prokaryotlar
ğ
y
$ Bakteriler ve Cyanobacteria (eskiden mavi‐yeşil algler olarak adlandırılıyordu) )
ÔBakteriler, toprak, hava, su, hayvan ve bitki yüzeylerinde bulunurlar. Bazıları hastalık etkeni olmakla beraber çoğu zararsız ve organik atıkların geri dönüşümü sırasındaki yararlı etkileri ve birçok faydalı ürünü üretmeleri nedeniyle biyoteknolojide oldukça önemli bir yere sahiptirler.
y 1884 Christian Gram tarafından bulunan Gram boyama yöntemi ile bakteriler kabaca iki büyük gruba ayırabiliriz. Bakteriler iki farklı hücre duvarı yapısına sahiptir ve buna göre farklı şekilde boyanma özelliği gösterirler. Gram (+)
Gram (-)
B k i
Bakteri morfolojileri
f l jil i
y Aynı genusa ait bazı türler endüstriyel açıdan faydalı özelliklere sahipken bazıları insanlar için zararlıdır. ö
llikl hi k b l i
l i i ld Örneğin Bacillus türleri toprakta yaşarlar ve aerop veya a ü a a ae op e abo
aya sa p e .
fakültatif anaerop metabolizmaya sahiptirler. y B. subtilis endüstride kullanılan amilaz enziminin kaynağıdır. y B. thruringiensis ise birçok bitki zararlısı böceğin patojenidir. Ve bu nedenle böceklere dirençli bitkilerin oluşturulmasında genetik mühendisliğinin önemli çalışma konularından birini oluşturur. y B.athracis ise insanlara patojen etkiye sahiptir ve şarbon p j
y
p
ş
hastalığının nedenidir. Escherichia coli
y Çok basit besi Ç k b it b i y Genetiği, moleküler biyolojisi, biyokimyası, fi l ji i fizyolojisi ve genel l biyolojisi son 50 yılda yapılan çalışmalardan toplanan bilgilerle son derece iyi bilinen bir organizmadır.
y Gram (‐), patojen Gram ( ) patojen olmayan, çomak şeklinde, hareketli bir organizmadır.
y Doğal olarak insan D ğ l l k i
barsağında bulunur, normal olarak toprak veya suda bulunmaz.
suda bulunmaz
ortamlarında kolaylıkla bölünerek çoğalabilir
y Generasyon süresi 37ºC’da logaritmik fazda yaklaşık 22 dakikadır.
y Aerobik ve anaerobik olarak üreyebilir ( k bi
(rekombinant –heterolog‐
t h t l
protein üretiminde aerobik üreme)
y Oksijen, üretimde en önemli sınırlayıcı faktördür. E. coli harici Prokaryotik Sistemler
yPeynir mayasından insülin y
y
molekülüne kadar bir çok ürünün elde edilmesinde kullanılmıştır.
kullanılmıştır
E li h i i P k
ik Si
l
E. coli harici Prokaryotik Sistemler
y
y
y
y
y
y
y
y
y
y
y
Acremonium chrysogenum
Bacillus brevis
Basillus subtilis, Basillus thuringiensis
Corynebacterium glutamicum
Erwinia herbicola
Peudomonas spp
Rhizobium spp Streptomyces spp
Trichoderma resei
Xanthomonas campestris
Zymomonas mobilis
(mavi yeşil bakteriler)
Cyanobacteria (mavi‐yeşil bakteriler)
y Ör: Anabaena cylindris, Ör: Anabaena cylindris y Bu organizmalar iki grub altında toplanabilir
y Özel bir fonksiyona sahip bir gen için konak olma
Ö
Ör: termofillerden izole edilen ve PCR teknolojisinde kullanılan ısıya dirençli DNA polimeraz enziminin E.coli de klonlanması ve ısıya dirençli DNA polimeraz enziminin E.coli’de klonlanması ve üretimin gerçekleşmesi
Belirli işleri çok daha etkin yapabilmek için genetik mühendisliği il li ti il
ile geliştirilme
Ör: Endüstriyel açıdan önemli amino asitlerin çok fazla üretilmesi için Corynebacterium glutamicum’un çeşitli türlerinin ç
y
g
ç ş
geliştirilmesi y
Nostok muskorum, Spirulina platensis y Mavi‐yeşil bakteriler a yeş a e e
prokaryotlar sınıfına dahil olup fotosentez özelliğine sahiptir. y İlk kez varlıkları fosillerde saptanmıştır. Dünya oluşumunda belki de ilk canlı organizmalardır. y Tatlı ve tuzlu suların T l l l
yüzeylerinde bulunurlar. Karada ise ışığın ve nemin ğ ç
y
olduğu çamur ve kaya, tahta veya bazı canlı organizmaların yüzeylerinde bulunabilirler.
y Koyu yeşilimsi
Koyu yeşilimsi‐mavi mavi pigmentlerinden dolayı bu isimle adlandırılırlar. Anabaena flamentleri
Cyanobakterilerin yapısı
Cyanobakterilerin yapısı
y Hücre duvarı yapı ve fonksiyon bakımından Gram(‐) bakterilere benzer.
Gram(
) bakterilere benzer
y Fotosentetiktirler. Klorofil ve karotenoid pigmentler “lamella” adı verilen hücre yüzeyi membranında, ü i b
d fikosiyanin ve fikoeritrin gibi pigmentlerde fikobilisomlarda bulunur.
y Fikobilisomlar tlakoid memmran yüzeyinde bulunurlar
y Fikosiyanin Yeşil ışığı absoblar (615‐620A).
y Allofikosiyanin Turuncu ışığı absorblar (650‐
670A)
y Fikoeritrin Yeşil ışığı absorblar (495
(495‐570
570
C
Cyanobakterilerin yapısı
b k il i
y AZOT FİKSASYONU: Sadece birkaç organizma atmosferik azotu amonyağa redüklemek yoluyla a.a. ve proteinleri üretmek üzere organik asitlere dönüştürülebilir. ik itl dö ü tü ül bili y Azot fikse edebilen bakteriler gibi mavi‐yeşil bakterilerde böyle bir y
yeteneğe sahiptir. ğ
p
y Hücreler nitrogenaz enzimi ile bu reaksiyonu gerçekleştirirler. Bu enzim oksijen ile inaktive olur. Bu nedenle azot fikse eden hücrelerin içindeki koşullar anaerobik olmalıdır. y Anabaena gibi bazı mavi‐yeşil b kt l t fik
bakterler azot fiksasyonundan d sorumlu heterosit adı verilen özel kalın duvarlı hücrelere sahiptirler. y Heterositler hücre duvarlarında bulunan özel bir por aracılığı ile vejatatif hücrelere bağlanırlar. Bu porlar ışık mikroskobu ile görülebilirler
mikroskobu ile görülebilirler.
y Anabaena flamentleri şeker ve oksijen üreten fotosentetik hücrelerden oluşmuştur. ¾ Birçok flamentli mavi‐
y ş
yeşil bakteri akinet veya y
spor diyebileceğimiz d bl
olumsuz koşullarda devamlılıktan sorumlu olan hücreler oluştururlar olan hücreler oluştururlar. Bu hücreler heterosit hücreye yakın olan vejatatif hücreler tarafından oluşturulur. f d
l
l
Hücre boyutunda artış olur ve büyük miktarlarda besin depolanır Gas besin depolanır. Gas vakuolleri kaybolur. Bunun sonucunda akinetler suyun dibinde yıllarca canlılıklarını ll
l l kl
koruyabilirler. Koşullar uygun olduğunda tekrar hızla bölünerek çoğalırlar.
hızla bölünerek çoğalırlar
l
Spirulana
y Sprilulina platensis: Afrika ve güney Amerika’da ki sığ göllerde ü
A
ik ’d ki ğ öll d doğal olarak bulunur. Binlerce yıldan beri yöredeki insanlar t f d t l
tarafından toplanan bu algler b l l kurutulduktan sonra besin kaynağı olarak çoğunlukla sos şeklinde veya çorba içinde kullanılmaktadır. y Nostoc ise Peru ve Güney doğu A ‘d b i dd i l k Asya ‘da besin maddesi olarak kullanılan bir diğer M‐Y bakteridir.
Mavi‐yeşil bakterilerin biyoteknolojik önemi
¾M‐Y bakteriler fotosentez yetenekleri, yüksek protein içerikleri ve basit besiyerlerinde hızlı çoğalmaları nedeniyle besin kaynağı olarak kullanım alanına sahiptir.Tek hücre proteini (THP) p
p
(
)
elde edilmesinde en çok denenen günümüzde insan ve hayvanların beslenmesinde geniş uygulama alanı olan mavi‐yeşil bakteriler, diğer mikroorganizmalardan farklı olarak yeterli miktarda karbondioksit, belirli derecede ikt d k b di k it b li li d
d aydınlatma, geniş üretim ortamı gibi özel koşullara gereksinim gösterirler.
gereksinim gösterirler
y GÜBRE OLARAK: Mavi‐yeşil bakterilerin
azott fiksasyon
fik
ö lliği saptandıktan
özelliği
t d kt
sonra
kurutulmuş Tolypthrix tenuis pirinç
tarlasına serpildiğinde azot fiksasyonunda ve
verimde artış gözlenmiştir. M‐Y bakterilerin
Hi di
Hindistan
d pirinç
da
i i tarlalarında
l l
d gübre
üb olarak
l k
kullanımıyla
toprağın
havalandırılması
sonucunda su geçişi ve toprağın sıcaklığının
daha homojen olması sağlanmaktadır. Azot
fk
fiksasyonu
için
M‐Y
b k l
bakterilerin
Rhizobium’ların yerini almasının bazı
avantajları vardır. Mavi‐Yeşil bakteriler
y
redüklerken
havadaki azotu amonyuma
fotosentez metabolik yolunu kullanırlar. Yani
bir bitki ile simbiyotik bir yaşam ve enerji
kaynağı olarak herhangi bir organik molekül
gerekmez. Tarımda azot fikse eden M‐
ilavesi g
Y
bakteriler
organik
gübre
olarak
kullanılabilir. Çin, Hindistan, Filipinler gibi
pirinç tüketimi fazla olan bölgelerde büyük
oranlarda
ürerler.
Pirincin
büyüme
sezonunun başında eğer suya M‐Y
bakterilerin başlangıç kültürleri ekilirse
pirinç veriminde %15‐20 oranında artış
olduğu bildirilmektedir.
bildirilmektedir
Mavi‐yeşil bakterilerin biyoteknolojik önemi
y Araştırmalar Mavi‐Yeşil bakterilerin güneş enerjisi dönüşüm sisteminde yer alması için devam etmektedir. Anabaena cylindrica heterocystleri vejatatif hücrelerde fotosentez yoluyla oluşturdukları oksijeni dışarı verirler. Azot yokluğunda ise heterositlerde nitrogenaz enzimi katalizörlüğünde elektronlar H+ iyonuna transfer edilerek Hidrojen k l
l
d l k
l f d l k d
gazı açığa çıkarırlar. Oksijen ve Hidrojen her ikisi de endüstride ihtiyaç duyulan gazlardır.
BİYOLOJİK OLARAK AKTİF MOLEKÜLLERİN ÜRETİMİ:
y Mavi‐Yeşil bakteriler antibiyotiklerin ve diğer biyolojik olarak aktif moleküllerin ticari boyutlardaki üretimi için büyük bir potansiyel oluştururlar. Çünkü Mavi‐Yeşil bakteriler heterotroftur Bu özellikleri de onların fermentasyon koşullarında üretilmelerine olanak heterotroftur. Bu özellikleri de onların fermentasyon koşullarında üretilmelerine olanak sağlar. Henüz araştırma aşamasında olan Anacystis nidulans ile yapılan rekombinant DNA teknolojisi çalışmalarıyla nadir bileşiklerin üretiminde kullanımları amaçlanmaktadır. Sonuç olarak :
y Fermentör koşullarında üreyebilirler, uzun süreli fizyolojik stabiliteye, basit besin gereksinimine, köpük oluşturmama özelliğine sahiptirler. Diğer alglerden farklı olarak azot fiksasyonu yapabilme farklılığına sahiptirler. Optimum sıcaklık 35oC dir. Karanlıkta y
y p
ğ
p
p
35
veya gün ışığında heterotrofik olarak ürerler. Maya
y Mayalar;
y Tek hücreli y Ökaryotik
y Tomurcuklanarak ve/veya bölünerek / y
eşeysiz farklı eşey tipine sahip hücreleriyle eşeyli olarak çoğalabilirler
y Mayaların tanımlanması maya biyoteknolojisi için oldukça önemlidir. y Örneğin endüstriyel süreçlerde yabani ve kültüre edilmiş ğ
y
ç
y
ş
mayalar arasındaki farkı gösterebilmek esastır. y Bira üretiminde üründe istenmeyen aroma oluşumuna Bi ü i i d ü ü d i
l
neden olan yabani ırkın karışması veya ekmek mayası üretiminde şeker transport yeteneği daha fazla olan ş
p y
ğ
Candida utilis mayasının karışması ekmek mayası üretiminde kullanılan Saccharomyces cerevisiae
mayasının üremesini engelleyecektir y Maya biyologları için maya çeşitliliğini tanımlamak kadar diğer önemli bir nokta özellikle biyoteknolojik öneme sahip türleri belirleyip saklamak ve koruyabilmektir. y Moleküler biyoloji tekniklerinin yaklaşımıyla türler daha hızlı ve kolay bir şekilde karakterize y
ş
edilebilmektedir. y Günümüzde 6 mayanın genom projesi tamamlanmış ve işlevsel genomik çalışmaları ile genlerin işlevlerinin belirlenmesine devam edilmektedir. y Maya genuslarının ayrımında fizyolojik M l
d fi l jik testlerle birlikte morfolojik testler de kullanılır. y Günümüzde 700 civarında maya türü tanımlanmıştır. y Fakat bu sayı maya çeşitliliğinde sadece ç
çok küçük bir bölümü temsil etmektedir.
ç
y Tanımlanmamış maya genus ve tür sayısı çok daha fazladır çok daha fazladır. y Maya hücreleri klorofil içermez ve zorunlu olarak kemoorganotrofiktirler.
y Üremek için organik Ü
k i i ik karbona gerek duyarlar. y Karbon metabolizmaları çok çeşitlidir. Örneğin Ö
basit şekerleri, polioller, g
y ğ
organik ve yağ asitleri alifatik alkoller, hidrokarbonlar ve çeşitli heterosiklik ve polimerik p
bileşikleri karbon kaynağı olarak kullanabilirler. y Bu özellikleri nedeniyle farklı habitatlar için özelleşmiş türler kolaylıkla saptanabilir.
kolaylıkla saptanabilir
y Mayalar toprak, hava ve M l k h sudan izole edilebilirler. y
Bazı mayalar ekstrem ortamlarda örneğin ozmofilik mayalar şeker bakımından zengin ortamlarda yaşayabilirler. Bu tür mayalar genellikle gıda bozucu olarak bilinir. Bunun dışında fırsatçı patojen olarak bazı maya türleride örneğin Candida albicans pek çok i f k i
infeksiyondan sorumludur. d l d y Günümüzde mayalar geleneksel gıda ffermentasyonunun dışında çok çeşitli d
d k i li alanlarda da kullanılmaktadır.
y Özellikle genetik mühendisliğiyle geliştirilmiş mayalar hastalıkların önlenmesinde ve tedavisinde kullanılan pek çok farmasötik ajanın üretilmesinde yaygın k f
ötik j
ü til
i d bir şekilde kullanılmaktadır. y Mayalar insanlar için;
y ekonomik, k
ik y sosyal ve y sağlık açısından oldukça önemli en eski ğl k d ld k ö
li ki evcilleştirilmiş organizmalardır. y Alkollü içeçeklerin üretiminde, ekmek yapımında Alkollü içeçeklerin üretiminde ekmek yapımında hamurun kabarması için binlerce yıl öncesinden beri kullanılmaktadırlar. Gerçekte bira yapımı ç
y p
belkide dünyanın ilk biyoteknolojisini temsil etmektedir. Biyoteknolojik Öneme Sahip Bazı Mayalar
y Axula adeninivorans
y Nitrat ve aminleri asimile eder, 45 C y Candida türleri
y C.albicans hidrokarbonlardan Biyoteknolojik Öneme Sahip Bazı Mayalar
y
j
p
y
y Heterolog gen anlatımı için y Hansenula polymorpha
kullanılabilen metilotrofik maya
üzerinde üreyebilir, pek çok hidrolaz salgılayabilir.
g y
aminopenisillanik asit ve B6 vitamin üretimi, C.boidinii NAD, FAD metil ketonlar ve sitrik , f
riboflavin, ,
asit üretimi, C.famata
C.maltosa biyokütle proteini için yağ asiti ve alkan kullanımı, C.tropicalis triptofan, C.pelliculosa selülozik materyalden biyokütle proteini, C.utilis, pek çok ürün eldesi, ksilozda üreyebilme, klonlama teknolojisinde kullanım C shehatae ksiloz teknolojisinde kullanım, C.shehatae
fermentasyonu
Biyoteknolojik Öneme Sahip Bazı Mayalar
y Phaffia rhodozyma ve Pichia türleri
y Rhodosporidium toruloides
y Gıda boyası olan astaksantin pigment üretimi. p
g
P.guilliermondii riboflavin sentezi ve hidrokarbonlardan biomas protein eldesi biomas protein eldesi. P.methanolica etanol biosensörü olarak kullanılan alkol oksidaz lk l k id üretimi.P.pastoris metanolden b o as p o e e des ,
biomas protein eldesi, heterolog gen anlatımı ve insan terapötik proteinlerini üretebilen metilotrofik maya
y Fenilketanüri tedavisinde kullanılan PAL enzim kaynağı
y Laktoz ve polyfruktosanı p y
y Kluyveromyces marxianus ve K. lactis
y Pachysolen tannophilus
fermente eder. Doğal kakao fermentayonu. Pek çok enzim i i k
için kaynak olabilir, klonlama k l bili kl l
teknolojisinde kullanılabilir.
y Bitki lignoselülozik hidrolizatlarından kaynaklı pentoz şekerlerinin fermentasyonu Biyoteknolojik Öneme Sahip Bazı Mayalar
y
j
p
y
y Saccharomyces türleri y S.cerevisiae klasik gıda fermentasyonu. Bira, şarap, ekmek, rom, cin yapımı. Bira
şarap ekmek rom cin yapımı Yakıt, alkol, gliserol, invertaz ve hayvan bes
besini kaynağı.Rekombinant DNA ay ağ .Re o b a t DN
teknolojisiyle sayısız protein üretimi. y Saccharomycopsis türleri
y S.fibuligera amilolitik maya. y Schizosaccharomyce pombe
y Geleneksel Afrika alkollü bira yapımı. Şarapların deasidifikasyonu. Yüksek etanol ozmotik tolerans.. Biyokütle protein eldesi, heterolog gen anlatımı ve mutagenez testlerinde kullanım.
t
t tl i d k ll
y Schwanniomyces türleri
y S.castellii ve S.occidentalis
amilolitik mayalar. Nişastanın ve inülinin etanole çevrimi ve i üli i l i i heterolog gen anlatımında kullanılabilirler kullanılabilirler. y Trichosporon cutaneum
p
y Fenol varlığına ilişkin bisensor olarak kullanılır.
y Yarrowia lipolytica
y Lipid ve hidrokarbonlardan y Zygosaccharomyces rouxii
biomas protein eldesi. Sitrik p
asit ve hücredışı enzim üretimi. y JJapon soya sosu karakteristik p
y
aromasını vermede kullanılan halofilik ve ozmotolerant maya türü.
üü
Bunun yerine klasik bira tadını veren organoleptik özellikleri iyi olan karakteristik fermentasyon yapan ırklardan doğal seçimle en iyi olan şeçilir. Bunun dışında endüstriyel mayaların geliştirilmesinde şüphesiz genetik mühendisliğinin önemi oldukça fazladır. y Endüstriyel mayaların çoğu özellikle fermente içeçeklerin üretiminde kullanılanlar genetik bakımından karmaşıktırlar ve stabil bir haploidi ş
p
göstermezler. y Örneğin bira yapımında kullanılan Sacchoromyces
y
türleri poliploid veya anöpliod p p
y
p
(diploid‐heptaploid) ırklardır. Bu nedenle geliştirilmelerinde eşeyli üreme özelliklerinden yararlanılamaz. l l
y Rekombinant DNA teknolojisi ile geliştirilen rekombinant mayalar li i il k bi
l tarafından üretilen biyolojik olarak aktif j
rekombinanat proteinlerin veriminin arttırılmasında iki önemli yaklaşım vardır: y moleküler genetik tekniklerin kullanımı l kül tik t k ikl i k ll
y fermentasyon teknolojisi. Gıda Tüzüğüne Uygun, G
Genetik Olarak Değiştirilmiş Mayalar
tik Ol k D ği ti il i M l
Maya
y Ekmek Mayası
y Bira Mayası
Tanımlama
y Glukoz baskısından kaçınmak ve hamurlaşmayı ö l
önlemek için maltoz k i i l kullanım genleri değiştirilmiş
değiştirilmiş.
y Maltodekstrinleri kısmi M l d k i l i k
i olarak parçalayan STA2 genini içeren plazmidi taşır.
i i i
l
idi t
Alkollü içeceklerin üretiminde mayalar
y Alkollü içeçeklerin üretimi tarih olarak çok eskidir. Günümüzde maya fermentasyonu pek çok ülkenin Gü
ü ü d f
t
k k ülk i ekonomisi için oldukça önemlidir. y Bira üretimi bilinen en eski biyoteknolojik süreçtir. Bira dışında şarap distillenmiş içecekler “cider”, “sake” ve çeşitli likörler
Bazı alkollü İçeceklerin Üretim Özeti
ç
Bira
Viski
Şarap
Likör ve diğer içkiler
Arpa,
yardımcı
maddeler
dd l
Arpa,
buğday vb.
Üzüm
Arpa, mısır, melas,
üzüm vb.
Ön
uygulama
uygu
Malt
ooluşturma,
uştu a,
ezme
Parçalama,
yu uşat a
yumuşatma
Substrata bağlı olarak
değişir
değ
ş
Fermentas
yyon
S.cerevisiae,
S.carlsbergen
sis
Malt
oluşturma,
o
uştu a,
ezme
S.cerevisiae
S.cerevisiae
S.cerevisiae,
K.marxianus
Hayır
Evet
Hayır
Evet
Haftalarca
Yıllarca
Yıllarca
Değişken
36
3-6
40 45
40-45
8 12
8-12
35 45
35-45
Hammadde
Damıtma
Olgunlaşma
Son alkol
oranı (%
v/v)
Biyoalkol üretimi
y Etanolün yenilenebilir kaynaklardan mayalar kullanarak üretilmesi tüm dünyanın ilgisini çeken konulardan biridir.
y İlk üretim 1930’larda başlamıştır fakat petrol fiyatları y Genetik mühendisliği ile geliştirilmiş mayaların lignoselülozik (odunsu) atıkları substrat olarak kullanarak etanol üretmeleri yönünde yoğun çalışmalar yapılmaktadır. y Etanol dışında mayaların ürettiği diğer biyoalkoller
y gliserol ( alkollü içecekler için aroma katıcı, nitrogliserin türevli patlatıcılar yapımında), türevli patlatıcılar yapımında)
y ksilitol (şeker yerine diyabetik ürünlerin yapımında), y sorbitol, arabinitol
sorbitol arabinitol (düşük şeker içerikli gıdaların yapımında; ilaçların kaplanmasında yenilebilir kaplama maddesi olarak)
düşürülünce teknoloji bırakılmıştır.
y 1970
1970’deki petrol krizi ile birlikte yeniden gündeme deki petrol krizi ile birlikte yeniden gündeme gelmiştir.
y Brazilya şeker kamışını ve melası substrat olarak kullanarak ü
ürettiği petrolü yakıt amaçlı kullanmaktadır. Brazilya’da iği lü k l k ll
k d B il ’d otomobillerin çoğu alkol veya alkol+benzin karışımı (gasohol) ile çalışmaktadır. Lignoselülozik
g
Materyallerden Etanol Üretimi
y
Lignoselülozik
Materyal
Lignin
Ön Hidroliz
Hidroliz
Pentozca Zengin
Fermentasyon
Heksozca Zengin
Fermentasyon
Damıtma
Etanol
Yakıt Amaçlı Etanol Üreten Mayalarda İstenen Özellikler
Yakıt Amaçlı Etanol Üreten Mayalarda İstenen Özellikler
Genel Özellik
Fermentasyon
Üreme Örnekler
Hızlı fermentasyon, yüksek oranda etanol üretimi. Yüksek etanol toleransı. Fermentas on için optimum üksek sıcaklık Fermentasyon için optimum yüksek sıcaklık ve düşük pH. Substratların etkin kullanımı. Küçük ölçekte fermentasyon metabolitleri. (Gliserol, esterler vb.)
Hızlı maya üretimi. Yüksek oranda canlılığı sürdürme. Çeşitli etkenlere karşı tolerans. (Yüksek şeker ve toksik kimyasallar) Genetik kararlılık. Bakteri kontaminasyonuna direnç. F
Fermentasyon sırasında en az ısı üretimi. t
d ü ti i Maya Biyokütlesinin Endüstriyel Kullanımları
M ay a Ürü n T ip i
Ku lla n ım Ö rn ek le r i
Sık ış tırılm ış Ek m ek M ay as ı /A ktif
Ku ru M ay a
E k me k,b ira,ş arap v e d a mıt ma
M a y a Kre m i
E k me k v e d a m ıt ma
T ek Hü cre P ro tein i
Hay v an b es in i
Bü y ü me Fa ktö rü
İn s an v e h ay v an p rob iy o tiğ i
Reaktan t may ala r
Org a n ik kimy ad a ku llan ılan
b iy o katalis tler
B io s o rb e n t may ala r ı
A ğ ır metal ar ıtım ı
M in eral may ala rı
Bes in s e l iz e le men t kay n a ğ ı
Ko zm etik may a lar ı
Der i s o lu n u m faktö rü
T ü m Hü cre Ü rü n ler i
Bo y ar mad d e ma y ala rı
Gıd a b o y alar ı
B iy o lo jik ko n tro l may ala rı
Z ira atte an tifu n g al a jan
Kirlilik ko n tro lü may a lar ı
M a y a ö zü tleri
l i
B OD in d irg ey icile r i
Bes in
i ku
k llan
ll ım ı v e
m ikro b iy o lo jik b es iy er i
M a y a RNA tü re v le ri
A ro ma ku v v etlen d ir iciler i v e
far mas ö tik ku llan ım
Hü cre may a d u v arı
Yiy ec ekk v e fa
Yi
f r mas ö tik
ku lla n ım
M a y a-B v ita m in i ko mp le ks leri
Kap s ü lle r v e b e s in s el d es tek
tab le tleri
M a y a en zim
im le r i
Yiy ec ek le rd e in v ertaz
Yi
erta v e
lakta z ku llan ım ı
Reko mb in an t may alar
T erap ö tik p ro tein ler
Ö zü tlen miş Hü c re
Ürü n le r i
M
Maya biyokütlesi türevli ürünler
bi kütl i tü li ü ü l
y Ekmek mayası olarak S.cerevisiae yılda milyonlarca ton üretimektedir. ton üretimektedir
y Bunun dışında;
y hayvan yemlerine katkı olarak tek hücre proteini şeklinde, y biyosorbent olarak ağır metal temizliğinde,
y
ğ
ğ
,
y gıda renklendirilmesinde pigmentli mayalar,
y insan ve hayvanlar için probiyotik olarak (büyüme y
ç p
y
y
faktörü/biyofarmasötik amaçlı) maya biyokütlesi kullanılmaktadır. S. cerevisae Dışındaki Maya Biyokütlesinin Biyoteknolojik Kullanımı
Biyoteknolojik Kullanımı
Maya
Kluyveromyces marxianus ve K.lactis
C tili
C.utilis
Phaffia rhodozyma
S h
Saccharomyces boulardii
b l dii
Biyomas Kullanımı
Hayvan besini. Laktaz kaynağı
Tek Hücre Proteini
Karoten pigmenti
Bioterapötik ajan
Pichia pastoris ve H. Polymoroha THP ve metanolden rek proteinler
Alkanlardan Tek Hücre Proteini Yarrowia lipolytica ve C. paraffinica eldesi
Rhodotorula glutinis,Lipomyces Ucuz karbon kaynaklarından Tek lipofer,Cryptococcus curvatus ve p f , yp
Hücre Yağı Eldesi
Candida türleri
Biyoterapötik ajan
Tüm Hücre Maya Kitlesinin Yeni Kulanım Alanları
Tüm Hücre Maya Kitlesinin Yeni Kulanım Alanları
Uygulama
yg
Ç
Çiftlik Hayvanları Üreme y
Faktörü
Biyokontrol ajanı
Bi
Biyoremediyasyon ajanları
di
j l
Biyosensör
Yorum
Gevişgetirenlerde hayvan büyümesini ve süt verimini arttırmak için işkembe böl i i bili d bölgesini stabilize eden S.cerevisiae kullanılır. Mayalar işkembede oksijensiz ortam sağlayarak oksidadif hasarı engeller. İşkembedeki yararlı bakterilerin üremesini malik bakterilerin üremesini, malik asit gibi maddeleri üreterek ğ
sağlarlar.
S.cerevisiae tahıl ürünlerinde fitoalleksin elisitörü olarak ç
y
kullanılır. Birkaç maya türü fungal meyve hastalıklarının biyokontrolünde kullanılır.
Bazı mayalar endüstriyel atıklardan Ag, U, Co, Cu,Cd gibi ağır metalleri temizler. ibi ğ ll i i l Organik atıklardan karbon ve nitrojenleri uzaklaştırır. H bi i ibi Herbisit gibi zararlı toksikleri l k ikl i etkisizleştirir. Kimyasal Reaktant
Besin pigmenti
Maya Kökenli Enzimlerin Kullanımı
Substrat Enzim
Uygulamalar
Nişasta ∝‐Amilaz, Nişasta atıklarının dönüşümüyle b
bioetanol ve biomas üretimi. l b
Düşük karbohidratlı bira yapımı. glukoamilaz Sukroz İnvertaz
S.cerevisiae ortam kirliliği test etmede biyosensör olarak kullanılabilir kullanılabilir. İnülin İnülinaz
Biyoelektriksel yakıt hücresi
Elektron üreten maya destekli y
yakıt hücreleri ve maya temelli yarı iletkenler
S.cerevisia anti akne ajanı ve menstrüasyon öncesi ağrı gideriminde, S.boilardii
id i i d S b il dii bazı b ince barsak hastalıklarına karşı koruyucu ajan olarak ve anti Candida ajanı olarak da kullanılır. Organik kimyacılar S.cerevisiae’yi bazı kimyasal maddelerin modifiye edilmesinde kullanırlar. Bu reaksi onların ba ıları reaksiyonların bazıları endüstride rutin kullanım alanı bulmuştur. Phaffia rhodozyma bazı deniz mahsüllerinde renklendirici olarak kullanılan pigmentler üretir. Maya invertazının tekstil endüstrisinde sukroz hidrolizinde kullanımı.Çikolata y p
yapımında inert şeker eldesi
ş
Kluyveromyces türleri, etanol ve yüksek fruktozlu şurupların eldesinde, polifruktan ve levanların hidrolizinde etkili inülinaz enzim kaynağıdır.
tkili i üli
i k
ğd
Laktoz Laktaz
Yağlar Lipaz
Selüloz Yarı selüloz Selülaz vb.
Kluyveromyces türleri sütteki laktozun parçalanmasında ve günlük atıklardan etanol ve biyomas protein eldesinde kullanılan laktaz kaynağıdır.Laktaz yiyecek işlemede de kullnaılır. Kluyveromyces teki ilgili genler Kluyveromyces’teki ilgili genler S.cerevisiae’de klonlanmıştır.
Mayaların Biyomedikal Alanlarda Kullanımı
y onkoloji, y farmakoloji, f
k l
Hazım kolaylaştırıcı,tat modifiye edici eldesinde ve yağların esterifikasyonunda trigliseritlerden serbest yağ asidi ve gliserol sağlanmasında lipazların k ll
kullanımı.
y toksikjoloji, y viroloji y insan genetik hastalıkları g
için model organizma olmaları çok önemlidir.
Sellobioz’un fermentesinde bazı Sellobioz
un fermentesinde bazı mantarlar, ksilanların parçalanmasında bazı mayalar kullanılır. Kimi genler S cerevisiae’de klonlanmıştır ve S.cerevisiae
de klonlanmıştır ve yenilenebilir biokütledenbioetanol üretiminde kullanılmaktadır.
2001 Nobel Tıp ve Fizyoloji Ödülü
Maya hücre bölünmesinin kontrolu ve kanser
Mayalara Klonlanmış Bazı Terapötik Protein Örnekleri
DNA Kaynağı
DNA K
ğ
Prokaryotik
y Leland H. Hartwell
L l d H H t ll
Protozoal
Herpes, Hepatit, Onkogenik vb. bazı virüslerden yüzey antijeni ve enzim kodlayan genler
genler.
Malarya antijeni
Hayvan
Sülükten hirudin, engerekten ekhistatin, tavşan α‐globin,sığır ve fare interlökini vb.
Viral
y R. Timothy Hunt İnsan
y Paul M. Nurse
Gen Ürünü Örnekleri
Tetanoz toksin fragment C; İ
İnsülin, paratiroid hormon, somatostatin, büyüme hormonu, işlevsel antijenler ve IgE faktörü, insülin benzeri büyüme faktörü, tümör y
nekroz ve sinir büyüme faktörleri, interferonlar, hemoglobin, faktör VII ve XI, albumin, fibrinojen, Superoksit dismutaz, ∝‐amilaz, gastrik lipaz vb.. Maya Endüstrisinde “killer”(Öldürücü) Faktörler
Ö
y Maya genomik ve proteomik çalışmalarının tamamlanmasıyla pek çok insan genetik hastalığının tanısının konması ve tedavisi yakın bir gelecekte gerçekleşecektir. y Çünkü bu organizmalar model olarak kullanılmaktadır.
y Bu problemin en mantıklı çözümü ise yabancı organizmaların toksinlerine bağışıklık kazanmış bir maya türü oluşturmaktır. y Arzu edilmeyen maya türleri tarafından olaşabilecek bir kontaminasyonu önlemek l bil k bi k
i
ö l
k amacıyla moleküler biyoloji teknikleri k ll l k k ll
kullanılarak killer plazmid içeren bir ekmek l
d
b k k
mayası kültürü gekiştirmek mümkündür.
y Endüstriyel mayaların bazılarında virusa benzeyen çift iplikli RNA’lar y
y
y
y
tarafından sentezlenen toksik bir molekül (proteinaceous), bu moleküle sahip olmayan mayalar için öldürücü etki gösterir. moleküle sahip olmayan mayalar için öldürücü etki gösterir
Bu faktörlerin varlığı özellikle biracılık endüstrisinde çok büyük sıkıntılara neden olmuştur. Öldürücü maya suşları bira oluşumunu tamamen durdurmakta ve biraya kötü bir tat kazandırmaktadırlar. Fermentasyon sektöründe steril olmayan tip açık fermantasyon yapıldığı için arzu edilmeyen maya türleri sisteme girebilmekte fermantasyon verimini ve ürün kalitesini bozmaktadır. Özellikle killer plazmid taşıyan maya türlerinin sisteme girmesi ş gç
g
durumunda killer toksinine hassas başlangıç kültürü zarar görmekte, önemli ölçüde verim kaybına ve ürün kalitesinin düşmesine neden olabilmektedir. Küfler
y Küfler hifli mantarlardır. Birçok organizma ve gıda maddesi ( ekmek, meyve, sebze.. vb) üzerinde oluşturdukları pamuk görüntüsündeki doku nedeniyle mayalardan çok daha önce keşfedilmişlerdir doku nedeniyle mayalardan çok daha önce keşfedilmişlerdir. y Küfler, endüstride bir çok ürünün eldesinde, atıklardan değerli ürünlerin oluşturulmasında kullanılan farklılaşma göstermeyen ve klorofil içermeyen mikroorganizmalardır. Doğada ve toprakta yaygın olarak bulunan küflerden endüstriyel mikrobiyoloji alanında önem taşıyanlar mikroskobik olanlardır. y Küflerin üredikleri ortama proteaz, lipaz, karbonanhidrazlar gibi litik p
p
g
enzimleri salgılamaları ve küflerin ürettikleri çeşitli metabolitlerin birçok alanda kullanılabilir olması bu organizmaların endüstrideki önemini oldukça artırmaktadır. y Ayrıca insan, hayvan ve bitkiler için patojen olan türleride A
i
h
bitkil i i t j l tü l id bulunmaktadır. Küflerin Biyolojisi
Küflerin Biyolojisi
y Bir küf, protoplazma iplikleri veya uzantıları olan hiflerden ve sporlardan oluşur. y Hiflerin yaptığı yumağı y p ğ y
ğ
misel adı verilir. Hifler, bölmeli hifler ve bölmesiz hifler olarak ikiye ayrılır. y Bölmeli hifler bölmeler ile hücrelere ayrılırlar ve her hücrede bir veya iki hücre çekirdeği bulunur hücre çekirdeği bulunur. y Küflerin hücre duvarı glukan, kitosan ve kitin gibi farklı glukoz polimerlerinden yapılabilir. y Birkaç örnekte hücre duvarının sadece kitinden oluştuğu bilinmektedir. Aynı zamanda hücre duvarı % 80 – 90 polisakkarit polimerleri de içerir. G i k l bü ük bi k
Geri kalan büyük bir kısmı ise protein ve i t i lipidlerden oluşur. y Hifler uç hücrelerin gelişmesi sonucu apikal Hifl hü l i li
i ik l büyüme ile veya bölmeli hiflerde olduğu gibi apikal büyüme ve hifin herhangi bir bölümündeki hücrelerin bölünmesiyle gelişir ve uzarlar. y Bölmesiz hiflere sönositik hif adı da verilir.
y Bölme içermezler ve çok çekirdeklidirler. Bölme içermezler ve çok çekirdeklidirler y Üreme hifleri genellikle koloninin yüzeyinde bulunan ve üreyen hücreleri veya sporları taşıyan hiflerdir. y Hifsel üreme ortamın besin koşulları ile yakından ilgilidir. l ld
y Beslenme hifleri ise koloniye besin sağlayan hifl di B l
hiflerdir. Beslenme hifleri sayesinde hücrenin hifl i i d hü
i bulunduğu noktadan uzakta olan substratlara ulaşmaları sağlanır. ş
ğ
Küflerin yaşam çevrimi
y Çok hücreli küflerin yaşam çevrimi eşeyli veya eşeysiz sporlarla olabilir. Çeşitli cins ve türlerde farklı detaylara sahip olmakla beraber genel özellikleri bakımından h
l kl b b
l
ll kl b k
d
benzerlik gösterilir. y Bazı eşeysiz sporlar, sporangiofor adı verilen özel bir hif uzantısının ucunda bulunan sporangium denilen kapalı bir yapı içinde oluşurlar. y Bazıları ise konidiofor adı verilen özel hiflerden oluşarak konidium adını alır. Diğer eşeysiz spor biçimi ise klamidospor’dur. Klamidospor genellikle vegetatif hücreden gelişir kalın duvarlıdır ve uygunsuz koşullara hücreden gelişir, kalın duvarlıdır ve uygunsuz koşullara dayanıklıdır. y Eşeysiz üremede rüzgarla dağıla konidialar, miselyumun ş y
g
ğ
y
oluşturduğu konidioforların uçlarında meydana gelir. l
d
k d f l
l
d
d
l
Konidiaların çimlenmesiyle vejatatif üreme devam eder. Küflerde eşeyli üreme
Küflerde eşeyli üreme
Endüstriyel Önemi Olan Küflerin y
Sınıflandırılması
y Ascomycetes : Mayalarda olduğu gibi sporlarını askus keseleri içerisinde oluştururlar. Bununla b b fl
beraber filamentli mantarlarda askuslar kompleks l
l d
k l k
l k
bir yapı olan ascocarp içinde oluşurlar. y Basidiomycetes grubu küfleri eşeyli sporları basidia, basidiocarp içinde geliştirirler. Hücre çeperleri glukan ve kitinden oluşur. Agaricus tü l i i
türleri insanlar için endüstriyel mantar tüketimine l i i dü t i l t tük ti i cevap vermek üzere üretilir.
y A. niger sitrik ve glukonik asit üretimde kullanılır.
y A. oryzae pirinç ve soya ürünlerinin A oryzae pirinç ve soya ürünlerinin y Deuteromycotina: Bu gruptaki küflerde eşeyli üreme yoktur. Sadece y
konidia olarak bilinen eşeysiz üreme yapılarıyla ürerler. Hücre çeperleri glukan ve kitinden oluşur Bu gruba giren en oluşur. Bu gruba giren en önemli endüstriyel küfler Aspergillus ve
p g
Penicillum’dur.
y Endüstriyel küflerden en çok üzerinde çalışılan Penicillum E dü i l küfl d k ü i d l l P i ill y
y
y
y
türleridir. Her çeşit organik materyal üzerinde üreyebilen sporları ç ş
g
y
y
p
havada sporofit olarak bulunur. P. griseofulvum griseofulvin üretiminde kullanılır. Bu madde deri ve tırnaktaki mantar tedavisinde kullanılır.
madde deri ve tırnaktaki mantar tedavisinde kullanılır
Griseofulvine duyarlı mantarlarda antibiyotik, mikrotubullerdeki tubulinin oluşumuyla ilgili proteine b ğl
bağlanarak mitozda kromozomların ayrılmasını ve hifsel k i d k
l
l
hif l üremeyi durdurur. Penicillum’un diğer türlerinin birçoğu besin endüstrisinde ğ
ç ğ
önemlidir. Örneğin P. camemberti, P.roqueforti isimleriyle anılan peynirlerin yapılmasında kullanılır.
fermentasyonunda ( besin endüstrisinde) , proteolitik ve amilolitik enzimlerin üretilmesinde kullanılır. y Bazı türleri ise bitkilere örneğin pamuğa patojen a tü e se b t e e ö eğ pa uğa patoje
etkiye sahiptir. Fındık veya fıstık üzerinde üreyen A. flavus insan ve kümes hayvanlarında karaciğer kanserini indükleyen etkiye sahip B1 –
mikotoksin’ini üretirler. y Mitotoksinler genelde küçük molekül ağırlıklı, insan ve hayvanlara karşı toksik olan küflere ait metaboliklerdir. t b likl di y Zygomycetes: Sporocarp içerisinde aseksüel (eşeysiz), hareketsiz sporlara sahiptir. Hücre d
duvarı kitosan ( glukozaminin çok az yada hiç k
( l k
k
d h
asetillenmemiş polimeridir) ve kitinden oluşur. y Bu grubun endüstriyel küfleri B b dü t i l küfl i Mucor ve Rhizopus’ tur. Rhizopus migricans sitrik asit üretiminde kullanılır. Mucor ise daha önce anlatıldığı gibi p y y p
peynir yapımında kullanılan rennin üretimnde kullanılmaktadır. Mucor pussillus ve Mucor miehei’den izole edilen asit proteazlar süt proteini kazeindeki peptid bağını parçalayarak kazinin çökmesine neden olur. y Normal doğal koşullar altında mantarlar eşeysiz olarak çoğalırlar. Eşeyli üreme ise i l k l l E li ü
i sadece uygun şartlar altında nadiren olabilir. yg ş
Küflerin endüstriyel üretimi ise özel olarak tasarımı yapılmış sadece misel oluşumuna izin veren yatay tanklarda yapılır. Protistler
Küflerin ürettiği endüstriyel ürünlerden bazıları
y Protistler (protozoa) nemin P i l (
) i y Antibiyotikler
y
y Sitrik asit
y Çeşitli peynirler ; Rokfor, camembert, brie Çeşitli peynirler ; Rokfor camembert brie peynirleri gibi
y Sake (Japon içkisi) y Soya fasulyesi sosu ve diğer bazı soslar
y Çeşitli enzimler ; Amilaz, Glukoaminaz, Sellulaz, Pektinaz, Proteaz, Mikrobiyal rennet gibi
y
y
y
y
bulunduğu yerlerde, tuzlu ve tatlı sularda ve toprakta bulunurlar.
Simbiyotik ve parazit türlerinin y
p
yanı sıra serbest yaşayan türlerde bulunmaktadır. Bazıları ototrofik, diğer bazıları saprofit bir grup ise saprofit, bir grup ise heterotrofiktir. Besin maddelerinin sindirimi sitoplazmadaki besin vakuolleri i i d l k d içinde olmaktadır. Gaz değişimi hücre zarından difüzyon yoluyla olmaktadır. Hücre metabolizmasının sonucu oluşan atıklar hücreden difüzyonla atılır. Bi t k l jik ö
l i
Biyoteknolojik önemleri
y Protistlerin bazı türleri vitamin y Siliatların bir çoğu saprofittir, ve organik atıkların geri dönüşümünde oldukça büyük öneme sahiptir. y Paramecium
P
i
ve Chlorella
Chl ll
y
y
y
y
özellik B12 ve E vitaminlerini üretir ve üreme ortamına salgılarlar.
Sahip oldukları pigmentleri ise endüstride bir çok kullanım alanı dü t id bi k k ll
l mevcuttur. Ör: Karatenoidler yiyeceklerin renklendirilmesinde yumurta sarısının veya somon b lğ
balığının renginin artırılmasında i i l
d yemlere katkı maddesi olarak ilave edilir. Chlorella ve Dunaliella
Phytol (Fitol) bir başka potansiyel endüstriyel üründür. Vitamin A, β Karoten vit E ve K sentezinin öncül maddeleri olarak i i ö ül dd l i l k kullanılabilir.
y Protisler amino asit üretiminde de önemli bir role y Alglerin polisakkarit üretimi bir başka önemli üretim sahiptir. Aminoasitler ise besin endüstrisinin en sahiptir
Aminoasitler ise besin endüstrisinin en önemli katkı maddelerinden birini oluşturur.
y Ayrıca çok önemli karbonhidrat kaynağıdırlar. Besin y
ç
y ğ
kaynağı olarak kullanılmalarının yanı sıra mikrobiyal transformasyonlar için örneğin etanol ve metan ü ti i i i k
üretimi için kaynak oluştururlar.
k l t
l
alanını oluşturur. alanını oluşturur
y Bazı alg‐ polisakkaritlerinin potansiyel anti‐ kanser aktivitesi olduğu da bilinmektedir.
ğ
y Polisakkaritler yoğunlaştırıcı ajanlar olarak kullanılır. Polisakkaritin ticari üretiminde Porphyridium cruentum fazla miktarda ekstrasellüler polisakkarit üretme özelliği ile kullanılır. Diğ Ök
ik Hü kül ü l i
Diğer Ökaryotik Hücre kültürleri
y Böcek, memeli ve bitki hücre kültürleri için ayrıntıda farklı y
y
y
y
ama temelde aynı yaklaşımlar ve yöntemler kullanılır.
y y
ş
y
Öncelikle küçük bir doku parçası organizmadan ayrılır.
Hücreleri bir arada tutan hücre dışı matriksin enzimler k ll l k kullanılarak parçalanmasıyla hücreler serbest duruma l
l hü l b d
getirilir.
Bitki hücreleri için hücre duvarını parçalamak için ek bir enzim daha kullanılır.
In vitro hücre bölünmesini engelleyen hücre dışı matriksten uzaklaşan hücreler amino asitler, antibiyotikler, vitaminler, kl
hü l i i l ibi ikl i
i l tuzlar, glukoz ve üreme faktörleri içeren karmaşık bir besi yeri üzerine yerleştirilir. y
ş
G
llikl b l
( i
) h
hü kül ü l i y Genellikle başlangıç (primer) hayvan hücre kültürleri y
y
y
y
aktarılır ve 50‐100 generasyon hücreler bölünme yeteneğini kaybeymeden ve ölmeden korunabilir. Primer hücre kültürünün hücreleri orjinal hücre tipinin bazı özelliklerini korur.
Bu nedenle çeşitli dokuların biyokimyasal özelliklerini çalışmak mümkün olmaktadır.
Sıklıkla primer hücre kültürlerinin pasajı sırasında hü l i b l hü kül ü ü d ğ l
hücrelerin bazılarıhücre kültüründe çoğalmayı kolaylaştıran genetik değişiklikler geçirebilir
Avantaj yönündeki bu seçiciliğe sahip hücreler in vitro jy
ç
ğ
p
üreyerek belli hücre hatlarının oluşmasına neden olur. Kurulan hücre hatları küçük ölçekte virusları korumak ve klonlanmış DNA tarafından üretilen proteinin saptanmasında, büyük ölçekte ise aşıların ve klonlanmış genlerin kodladığı proteinlerin üretiminde kullanılır. y Bu koşullar altında hücreler kültür kabının yüzeyini tek tabaka şeklinde kablayıncaya kadar bölünürler. tek tabaka şeklinde kablayıncaya kadar bölünürler
y Bu noktada hücre bölünmesi hücre örnekleri toplanmadan seyreltilmeden ve yeni bir kültür toplanmadan, seyreltilmeden ve yeni bir kültür kabının içinde yeni bir kültür kabına aktarılmadıkça durur durur. M
li Hü Kültü l i
Memeli Hücre Kültürleri
y Bazı memeli proteinlerinin yabancı bir organizma içerisinde üretilmesi mümkün değildir. y Diğer bilimsel ve ekonomik nedenlerle bu proteinlerin üretiminde Memeli Hücre p
Kültürleri
l l
k ll l k d Ö
kullanılmaktadır. Örneğin, Monoklonal antikorlar y Neden: Çünkü monoklonal antikorların N d Çü kü kl
l tik l
transkripsiyon ve translasyon düzeylerindeki se e e egü asyo a o du ça a aş
sentez ve regülasyonlar oldukça karmaşıktır. Bu tür . u ü
proteinler gelecekte tedavi ve analitik uygulamalardaki önemlerinden dolayı oldukça geniş çalışmalara konu olacaklardır.
geniş çalışmalara konu olacaklardır
Bitki D k V Hü Kültü l i
Bitki Doku Ve Hücre Kültürleri
y Bitki biyoteknolojinin en önemli çalışma konularının başında gelmektedir. y Bitkiler besin kaynağı olmalarının yanısıra oldukça önemli hammaddelerden biridir. y Brezilya’da arabaların ∼%90’ı benzin ve şeker kamışından fermentasyonla elde B il ’d b l
% ’ b
i k k
d f
t
l ld edilmiş alkol karışımı (gasahol) ile çalışmaktadır. y Bitkiler değerli ilaçların aktif maddelerini sağlamaları açısından da önemli y
kaynaklardır. y Böyle değerli maddelerin bitkilerden elde edilmesi ise ülkenin iklim koşullarına, politikasına ve pazarlama ekonomisine bağlıdır. Bu nedenle, bitki hücre kültürü bilimi (bazıları sanat olarak da ifade etmektedir) ortaya çıkmış ve geliştirilmiştir geliştirilmiştir. y Bitki hücrelerinin kültüre edilebilmesi ve büyük ölçeklerde üretilmesi gerek biyokütle eldesi açısından gerekse arzu edilen değerli ürünün bu kültürlerden izole edilmesi bakımından üzerinde en fazla çalışılan konuların başında gelmektedir. l kt di y Bu değerli ürünlerin çoğu hücrenin durağan fazında üretilen sekonder metabolitlerdir. Bu teknoloji ilk doğuşunda değerli ürünlerin elde edilmesi için ğ
j
g ş
y
ş
ekonomik değildi fakat teknolojinin gelişimi ile birlikte yüksek hacimde düşük fiyatla ürün elde edebilmek mümkün olmuştur. Ş p p
Şarap Yapımı
y Şarap üzümün dış tabakasında bulunan yabani Ş
ü ü ü d t b k
d b l
b i mayalar kullanılarak yıllar öncesinden beri yapılmaktadır.
yapılmaktadır
y Farklı maya ırkları şarabın o bölgeye ait karakteristik tad ve aromasını vermek üzere o çoğrafik alan için özel olarak seçilir.
y Günümüzde çoğu modern şarap üreticileri kendi özgün maya ırklarını özelliklerine göre seçimini y p
yaparak kültürleyip saklarlar. yp
Ş p p
Şarap Yapımı
y Toplanan üzümler şıra haline getirmek üzere parçalanır.
y Geleneksel olarak üzümler ön işlemden geçirilmez. Sadece Geleneksel olarak üzümler ön işlemden geçirilmez Sadece y
y
y
y
Kalifornia’da süfür dioksit etkisinde bırakılarak yabani mayalar öldürülür.
Üzümün dış tabakasında bulunan yabani mayalar şıradaki şekerin fermentasyonunu sağlar.
Saccharomyces cerevisiae var. ellipsoideus. Bu değişimi var ellipsoideus Bu değişimi gerçekleştiren baskın olan mayadır.
Fermentasyon günlerce sürer.
Kırmızı ve beyaz üzümlerden elde edilen şıralar kırmızı ve beyaz şarapları oluşturur. Şarap Yapımı
Ş p p
Şarap Yapımı
y Kırmızı şaraplar üzümün dış kabuğu ile birlikte y Pek çok şarap özellikle kırmızı şaraplar ilk yılda malo‐laktik
fermente edilir
fermente edilir.
y Şekerler etanol ve karbon dioksite dönüştürülürken etanol kabuktaki pigmentleri çözünür duruma getirir ve kırmızı şarap oluşur.
y Beyaz şarap için dış kabuk uzaklaştırılır.
Beyaz şarap için dış kabuk uzaklaştırılır
y Bu süreç üzümde var olan malik asiti üzümün asiditesini azaltmak B ü ü ü d l lik iti ü ü ü idit i i lt k fermentasyon adı verilen ikinci bir fermentasyon daha geçirir.
üzere laktik asit ve karbon dioksite dönüştürür. y Bu fermentasyon Pediococcus, Leuconostoc ve Lactibacillus gibi çeşitli laktik asit bakterileri tarafından gerçekleştirilir.
laktik asit bakterileri tarafından gerçekleştirilir
y Şampanta tipi şaraplar ikinci bir fermentasyon geçirir.
y Şeker eklenir ve karbon dioksit karbonat üretip şarabı kabarcıklı yapar.
y Tatlı şarap yapımında ise üzümler toplanmadan önce Botrytis cinerea
T tl d i ü ü l t l
d ö B t ti i
küfü ile infekte edilir. y Bu işlem su kaybına şeker içeriğinin artışına neden olur.
y Bu tür üzümlerden elde edilen şıra çok daha tatlıdır ve glukozu B tü ü ü l d ld dil k d h t tl d l k
fermente eden fakat fruktozu bırakan glukofilik mayalar tarafından fermentasyona uğratılır.
Bira Yapımı
i
y Bira malt haline getirilmiş (çimlendirilmiş) arpadan yapılır
y Malt yapmak için arpa taneleri su içerisinde 2‐3 gün bekletilir daha sonra süzülür
ü ülü
y 13‐17 ºC 10 gün bekletilir. Bu işlem depo nişastanın maltoza dönüşmesi için gerekli olan amilazın üretilmesiyle çimlenmeyi başlatır.
y Sıcaklığın 40‐70 ºC’ye çıkarılmasıyla enzimler denature edilir ve S kl ğ ºC’ k l
l i l d
t dili çimlenme durdurulur.
y Tanelerin kavyrulma sıcaklığına göre farklı renk ve tadda malt oluşur bunun sonucunda da farklı renk ve tadda bira oluşur y Taneler silindirler arasından geçirilerek parçalanır.
y 62‐68 ºC de su eklenip 2 saat bekletilir. Bu işlem şekerin malttan ayrılırak çözülmesine yardımcı olur y Sıvı büyük bir kaba aktarılır (atık taneler hayvan yemi olarak satılır) ve biranı karakteristik tadını veren şerbetci otu (Humulus lupulus) eklenir
y Olgunlaşma y Az miktar şeker eklenerek birkaç saat kaynatılır şerbetçi oyundan ayrıldıktan sonra fermentasyon için uygun sıcaklığa getirilir
y Fermentasyon tankına Saccharomyces cerevisiae ve S. calsbergensis ilavesiyle fermentasyon başlatılır.
y 20 ºC de 5 gün süren fermentasyon sonucunda (etanol ve karbon dioksit oluşumu) mayalar uzaklaştırılır ve Marmamite olarak adlandırılan maya özütü olarak besin y
endüstrisinde kullanılır. sürecinden (haftalar b
bazen aylar) sonra bira l )
b
santrifüj edilirek atıklardan kl d
uzaklaştırılır ve uygun şişeleme işlemlerinden l
l l
d
sonra satışa sunulur
Arpa taneleri
y Malt oluşumu için y taneleri ıslatma y Ezme işlemi
y Şerbetçi otu
Ş b t i t
Ekmek yapımı
y Günümüzde ekmek yapımında çeşitli tahıllardan elde y
y
y
y
y
y
edilen unlar kullanılmaktadır. İşlem un, su, tuz ve maya karışımını kapsar (bazen şeker ilavesi de gerekebilir)
Undaki enzimler (amilazlar) nişastayı maltoza ve glukoza hidroliz ederler.
Mayalar şekerleri etanol ve karbon dioksite dönüştürürler
Karbon dioksit ekmeğin kabarmasını sağlar
Ekmeğin yapısını undaki proteinlerin özellikleri belirler
Ekmeğin yapısını undaki proteinlerin özellikleri belirler.
Genel olarak gluten olarak adlandırılan proteinlerin toplamı kaliteli ekmek için %10‐14 bisküvi yapımı için p
ç
4
y p
ç
%10’dan az olmalıdır. Y ğ tY
Yoğurt Yapımı
Ekmek Mayası Üretimi
y
y Yoğurt yapımında süt,yarı süt tozu veya tamamen süt tozu kullanılabilir. y Süt öncelikle patojen mikroorganizmalar için kontrol edilir. y Süt 85‐95 ºC de 15‐30dk ısıtılır. y Ön işlemleri ve ısıtılması tamamlanan ve 43‐45 ºC ye soğutulan süte %2‐3 oranında yoğurt bakterileri eklenir. y Aynı ısıda yoğurtlaşma kaplarında bir süre beklenir.
Aynı ısıda yoğurtlaşma kaplarında bir süre beklenir
y Yoğurt bakterileri ortaklaşa olarak sütteki laktozu parçalarlar ve laktozdan laktik asit oluşturarak sütün ekşiliğini artırırlar ş
ş ğ
asiditenin artmasıyla sütteki kalsiyum kazeinat kolloidal durumunu koruyamaz çözünerek jel haline geçer ki buna yoğurtlaşma denir. denir Yoğurt Yapımı
ğ
p
Yoğurt Yapımı
Yoğurt Yapımı
y Yoğurt istenen kıvamı kazanınca soğutularak ılık y Kullanılan mikroorganizmalar:
y Fakültatif anaerop Lactobacillus hücreleri Gram(+) çomaktırlar. Kompleks üreme faktörlerine gereksinim duyarlar. Asite karşı tolerans Kompleks üreme faktörlerine gereksinim duyarlar
Asite karşı tolerans gösterirler. Fermentasyon süresince düşen pH'ya karşı bakteriler üremeye devam ederler. Bu özellikleri onlara ortamda seçici olmalarını sağlar.
y Lactabacillus dışında laktik asit üretiminde kullanılan bir diğer cins Streptococcus'tur. Streptococcus Gram(+) ve kok morfolojisine sahiptir.
y Yoğurt yapımında her iki tip bakteride kullanılmaktadır. Lactabacillus
proteinleri parçalayıp peptitleri açığa çıkarır. Bu sonuç Streptococcus i l i l
i l i ğ k
B S
thermophilus un üremesini indükler. Streptococcus ürerken methanoik asit üretir. Bu da Lactobacillus’un üremesini indüklemektedir. Her ikiside çok az oranda alkol üretmektedir ikiside çok az oranda alkol üretmektedir. ortamda çalışan bakterilerin aktiviteleri önlenir . y Bu işlem ne kadar çabuk olursa asitlik gelişmesi az olacaktır. y Soğutma süresinde de asiditenin artması göz önüne alınarak inkübasyon süresi kısa t t l ld
tutulmalıdır.
y Son yıllarda üretimi yapılan "Bio yoğurt" ise daha tatlı ve kremsi tatdadır Üretiminde bu iki grup tatlı ve kremsi tatdadır. Üretiminde bu iki grup bakteriye ilaveten L. acidophilus da oluşan asidik tadı uzaklaştırmak için kullanılır. Yoğurt Yapımı
Yoğurt Yapımı
Yoğurt Yapımı
Yoğurt Yapımı
y Probiyotik yoğurt: Probiyotik kültürler bağırsak y Laktik asit ayrıca ilk mikrobiyal ürün olarak yüzeyine tutunarak çoğalır ve bağırsak florasının dengelenmesine yardımcı olur. Lactobacillus johnsonli
probiyotik özelliklerinden dolayı yoğurt yapımında kullanılmaktadır. üretilen organik asitlerden biridir. y Ekşi ve kokusuz bir maddedir. y Su, alkol ve eterle kolaylıkla karışabilir. y Kloroformda çözünmez. y Erime noktası düşüktür. e o tas düşü tü .
y İyi çözücü özelliklerine sahip zayıf bir asittir. y Kolaylıkla polimerleşebilir. o ay a po e eşeb .
y Bu özellikleri nedeniyle geniş bir kullanım alanı vardır. Yoğurt Yapımı
ğ
p
Y ğ tY
Yoğurt Yapımı
y İki tip laktik asit bakterisi bilinmektedir. y Besin maddelerinin korunması amacıyla asidite sağlar. B i dd l i i k
l idi ğl y Kalsiyum laktat pasta yapımında kabartma tozu olarak, bakır laktat ise elektro kaplama işlerinde geniş l k b k l k i l k k l
i l i d i olarak kullanılmaktadır. Heterofermentatif
H
t
f
t tif ve Homofermentatif.
H
f
t tif
y Heterofermentatif organizmalar çok sayıda yan ürün oluşturdukları için endüstriyel boyutlarda ki l
d kl
d
lb
l d k
üretimler için uygun değildir.
y Homofermentatif organizmalar ise çok az istenmeyen yan ürün oluşturan buna karşılık laktik asit üretimi fazla olan organizmalardır. y Teoride bir glukoz molekülü başına iki molekül laktik asit ve iki molekül ATP oluşur. ş
y Gliseraldehit‐3‐fosfat dehidrogenazdan NAD+ redüksiyonu ve laktat dehidrogenazla prüvat redüksiyonundan geçen NADH k id
NADH oksidasyonu sonucu laktik asit oluşur l ktik it l
y Endüstriyel laktik asit üretimi için en çok g
kullanılan mikroorganizma Lactobacillus delbrueckii olup özellikle mısır glukozu içeren ortamların fermentasyonunda kullanılır. y L. bulgaris karbon kaynağı olarak laktozu fermente eder ve peynir altı suyunda laktat p y
y
üretiminde kullanılır. y L. petosus pentozları kullanabilmekte olup L petosus pentozları kullanabilmekte olup süfit atık sıvısından laktik asit üretiminde elverişlidir l
ld
Peynir Yapımı
i
y Peynir sütteki proeinin çökelmesiyle yapılan en eski süt ürünlerinden biridir.
y Sütün kaynağına, olgunlaşmada ve ileri aşamalarda kullanılan yerel yöntemlere bağlı ş
y
y
ğ
olarak farklı tat, renk ve yapıda yüzlerce farklı l k f kl
k
d
l
f kl
peynir çeşidi bulunmaktadır.
y Pernir yapımının ilk aşamaları yoğurt yapımına P i ilk l ğ t benzer.
y Sütteki proteinin koagülasyonu (süt kesiği)
y Peynir altı suyunun uzaklaştırılması
y Olgunlaşma Peynir Yapımı
y
p
y Süt 72 ºC de 15 saniye ısıtılır y Hızla 31 Hızla 31 ºC’ e soğutulur ve peynir tankına geçirilir
C e soğutulur ve peynir tankına geçirilir
y Laktik asit bakterileri (Streptococcus lactis, S. cremoris ya y
y
y
y
da özel bir tada özgü bir tür) eklenir
g
Laktozun laktik asite dönüşümü süt proteinlerinin koagülasyonu
Daha ileri düzeyde süt kesiğinin oluşumu için kimozin h l d
d k
l
k
(%90) ve pepsin (%10) enzimlerinin karışımı olan rennet eklenebilir.
45 dakika sonra süt kesiği sıvısından (peynir altı suyu) uzaklaştırılır
Çeşitli olgunlaşma işlemleri Kontrol odası
Kontrol odası
y Peynir tankına bakteri
kültürü eklenir, renklenme gerçekleşir ve süt kesiği oluşur
Sirke Yapımı
p
y Meyve suları ve meyve ezmelerinden asetik asit y Süt kesiği ve peynir altı suyu süzme tablalarına geçirilir
geçirilir.
y Peynir altı suyu ayrılırkarıştırma işlemiyle süt kesiklerinin boyutlarının aynı olması sağlanır Bu aşamada tuz eklenir.
şeklinde sirke üretimi çok uzun yıllardan beri yapılmaktadır.
yapılmaktadır
y Romalılar devrinde sulandırılmış sirke ferahlatıcı içecek olarak kullanılırdı Şarap fıçılarının ağzının açık içecek olarak kullanılırdı. Şarap fıçılarının ağzının açık bırakılmasıyla sirke oluşturulurdu. Daha sonraları tekniklerin geliştirilmesiyle sirke üretimi artırıldı.
y
Sirke Yapımı
p
y Şekerli meyvelerden sirke yapımında birbirinden Ş
y
y p
Maya
y C6H12O6 →
2CO2+ 2CH3CH2OH
Sirke Bakterileri
y CH3CH2OH+OH 3
→
tamamıyla farklı iki fermentasyon işlemi yer alır. y 1. Alkol fermentasyonu
y 2. Asetik asit fermentasyonu
y Önce meyve ve üzüm şıralarındaki şeker alkole döndürülür. Bunu sağlayan mayalardır. Sonra oluşan dö
dü ülü B
ğl
l d S
l
bu alkol sirke bakterileri asetik asite dönüştürülür. Cabernet Ahududu
CH3COOH+H2O
3
Sirke Yapımı
y Asetik asit fermentasyonu başlamadan alkol fermentasyonu bitmiş olmalıdır. y Sirke bakterileri havanın oksijeni yardımıyla alkolü okside ederek asetik aside çevirir.
ç
y Kimyasal bakımdan asetik asit fermentasyonu bir oksidasyon (dehidrogenasyon) olayıdır.
y Asetik asit üretimi bir çok fermentatif bakteri ttarafından yapılmakla beraber ticari olarak f d l kl b b ti i l k üretimde özel bir grup bakteri "asetik asit bakterileri" kullanılmaktadır. y Asetik asit Biyosentezi : İlk oksidasyon aşamasında etanol alkol dehidrogenaz enzimine özgün NAD ve NADP'nin redüklenmesi ile aset aldehite oksitlenir. İkinci oksidasyon ise aset aldehit dehidrogenaz ile asit aldehit hidratın asetik asite oksidasyonudur. Sonuçta 1 mol etanolden 1 mol asetik asit oluşur. ş
y Asetik asit bakterileri iki grup altında toplanabilir. Asetik asit bakterileri iki grup altında toplanabilir y Glucanobacterler y Asetobakterler
y Asetik asit bakterileri Gram(‐) genelde çomak fakat değişen morfolojiye sahip asite toleranslı, aerop kirpikli bakterilerdir. ki ikli b kt il di y A. pasteurianus, A.aceti ve A. peroxidans sirke yapımında kullanılan türlerdir OT:25 30 ve yapımında kullanılan türlerdir. OT:25‐30 ve pH:5.4‐6.3. kemoheterotroflardır. y Etanolün dışında gliserol ve laktat da karbon kaynağı olarak kullanılabilir. y Glukanobakterler etanolü sadece asetik asite oksitlerken ((tamamlanmamış oksidasyon) Acetobakterler etanolü önce ş
y )
asetik asite daha sonra da oksijen varlığında CO2 ve H2O indirgerler. y Sirke üretiminde bu durum asit niceliğini azaltacağından Si k ü i i d b d
i i liği i l
ğ d pratikte önem taşır. y Glukanobakterler ayrıca glukozu glukonik asite oksitleyebilirler. Glukonik asitte ilaç endüstrisinde kullanılan kalsiyum glukonatın yapımında kullanılır. D ğ l l d
Doğal sulara sodyum glukonat ilavesi ile de tuz çökelmesi l k
il
i il d ök l
i önlenmektedir. Tek Hücre Proteini
k ü
i i
Ü
THP Üretimi için Kullanılan Substratlar
Mikroorganizmalar ucuz ve atık materyal üzerinde ü tili fl t l h
üretilir, saflaştırılır ve hayvan veya insanlar için i
l i i besin kaynağı olarak kullanılabilirler.
y Eğer bu besin protein kaynağı olarak üretilirse tek b b
k
l k
l
k
hücre proteini (THP) olarak adlandırılır. y Pek çok mikroorganizma, algler, mavi‐yeşil bakteriler, mantarlar ve bakteriler tek hücre protein kaynağı olarak kullanılabilir.
y Peynir endüstrisi atığı olan protein ve laktoz bakımından zengin olan peynir altı suyu
y Bazı mayalar bu atık üzerinde protein ve bazı vitaminler bakımından zengin içeriğe sahip olarak üreyebilirler ve kedi maması katkısı olarak kullanılır.
y Şeker işleme endüstrisi atığı olan melas üzerinde mayalar kolaylıkla üreyebilir
y Kağıt endüstrisinin atığı olan sülfit sıvısı şeker bakımındab K ğ dü i i i ğ l ülfi k b k
d b zayıftır ve bazı küfler bu atık üzerinde üreyebilir.
y Petrol endüstrisinin atığı olan alkanlar mayalar için ğ
y
ç
substrat olabilir Alkanlar üzerinde üreyen mayalar hayvan yemi olarak kullanılır.
y Mısır veya buğday nişastası glukoz kaynağı olarak, y İnsanlar için tüketime en uygun olan THP satışta bulunan “Quorn” mikoproteinidir. y Mikoprotein flamentli küf olan Fusarium graminereum’dan elde edilir.
y Karbon kaynağı olarak glukoz şurubu azot kaynağı olarak amonyum kullanılır
kolin ise hifin büyümesini indüklemek için kullanılmaktadır. Ayrıca biotin de eklenir.
y 30 ºC de pH 6 da sürekli kültürde üreme gerçekleştirilir. y Mikroorganizmaların hızlı üremesi yüksek RNA y Normal üretim sonunda RNA içeriği %10 o a ü et so u da R
çe ğ % 0
içeriğine neden olur.
y Yüksek düzeydeki RNA içeriği insan ve hayvanlar tarafından tüketimde uygun değildir.
y İnsanlarda fazla miktardaki nukleik asit ürik asite İ
l d f l ikt d ki kl ik it ü ik it dönüştürülür.
y Ürik asit böbrekler tarafından atılamaz ve ürik asit Ü
kristalleri şeklinde eklemlerde birikir (Gut hastalığı) )
civarındadır ve hala tüketim için fazladır.
y Isı şoku ve ribonukleaz etkisiyle RNA içeriği I k ib
kl tki i l RNA i iği %2’ ye düşürülür.
y Miselyum toplanır 18 ºC de uzun süreler saklanabilir.
saklanabilir
y Tadı etin tadına benzer ve çeşitli hazır et ü ü l i i i kl i
ürünleri içine eklenir.
Kök hücre nedir?
Kök hücre nedir?
Kök Hücre
y Kök hücreler, kendini yenileme özelliğine sahip, Kök hücreler kendini yenileme özelliğine sahip vücut içinde veya laboratuar ortamında uygun şartlar sağlandığında birçok farklı hücre tipine d
dönüşebilen farklılaşmamış hücrelerdir.
b l f kl l
h
l d
Kök hücreler nerelerden elde edilir?
Kök hücreler nerelerden elde edilir?
y Bir başka değişle farklı hücre tiplerine dönüşebilme potansiyeline sahip olan hücrelere dö
ü bil t i li hi l hü l kök hücre diyoruz.
y Bu özellikleri bakımından kök hücreler kanser, sinir sistemi hastalıkları (Alzheimer) ve hasarları, metabolik hastalıklar (diabet), organ yetmezlikleri, romatizmal hastalıklar, kalp hastalıkları, kemik hastalıkları ve daha birçok alanda kullanıma sahiptirler. Embriyo 2 hücre
(24_48 saat)
Embriyo 6_8 hücre
(3. gün)
y Zigot daha bölünmeye başlar ve bu bölünme sonucunda embriyo (cenin) meydana gelir.
y Embriyo bölünmeye devam eder ve E b i bölü
d
d embriyonun hücre sayısı katlanarak artar. Zi t (12_24
Zigot
(12 24 saat)
t)
y İnsan türü tek bir hücrenin çoğalmasıyla meydana gelmiştir bu hücre zigot olarak adlandırılır. y Bu yapı döllenmeden hemen sonra oluşur. Bl t ki t
Blastokist
y Döllenmeden yaklaşık 5 gün sonra ise 150 hücre y
ş 5g
5
civarında içi sıvı ile dolmaya başlayan kistik bir y p
yapı oluşur.
ş
y Bu yapı blastokist olarak adlandırılır. y Blastokist bir kum taneciğinden daha küçüktür ve içerisinde artık iki tür hücre gurubu ç
g
barındırmaktadır. y Bu yapının iç kısmında bebeği oluşturmak üzere gruplanan hücreler embriyonik hücreler olarak g
p
y
adlandırılır.
y Bu hücre gurubu vücudun bütün organ ve dokularını oluşturmak üzere çoğalıp ş
ç ğ p
yönleneceklerdir ve tıp dilinde pluripotent hücreler olarak adlandırılırlar. y Dolayısıyla embriyo bölünmeye başladığından itibaren oluşan kök hücreler embriyonik kök hücrelerdir. y Kök hücreler aynı zamanda embriyonun y
y
bundan sonraki gelişme dönemlerinde yani ğ
ş
, ğ
fetus dediğimiz aşamada, doğumla birlikte kordon kanında ve yetişkin vücudunda da ğ
y ğ
özellikle kemik iliği ve yağ dokusunda bulunurlar. Kök Hücre Olabilme Özellikleri Nelerdir?
Ö
4 Kök hücreler,
4.
hücreler hasar gören alıcıya nakil
Bilim adamları bir hücreyi kök hücre olarak t
tanımlamak için 5 ölçüt kullanmışlardır. l
k i i öl üt k ll
l d 1.
2.
3.
Kök hücreleri, uzun zaman dilimleri boyunca bölünebilme ve kendilerini yenileyebilme yeteneğine sahiptirler.
h
l
Kök hücreler özelleşmemişlerdir.
Kök hücrelerden elde edilen bir yavru hücre, özelleşmiş hücrelere kaynaklık edebilir (farklılaşma).
sonrasında kaynak dokuya işlevsel olarak
tekrardan
k d çoğaltılabilmelidirler.
ğ l l bil lidi l
5 Sonuncu ve daha az anlaşılmış
5.
ş
ş diğer
ğ bir
ölçüt ise kök hücrelerin in vivo ortamda
doku hasarının olmadığı durumlarda bile
farklılaşmış kuşaklara katkı sağlamasıdır.
Kaç Tür Kök Hücre Vardır?
Kaç Tür Kök Hücre Vardır?
y Bir hücrenin totipotent olması bütün vücudun tüm organ ve dokularına dönüşebilmesi anlamına gelir.
y Bu hücreler plasenta ve amnion kesesi zarları gibi embriyo dışı dokulara da g
y
ş
farklılaşma yeteneğine sahiptirler. Kök hücre ağacı
y Genel olarak 3 tür kök hücre vardır. y Bunlar totipoent, multipotent ve pluripotent kök Bunlar totipoent multipotent ve pluripotent kök y Totiptent hücreler gelişmenin ileri p
g ş
evrelerinde pluripotent hücrelere dönüşebilirler. hücrelerdir. y Pluripotent hücreler totipotent hücreler gibi vücudun bütün hücrelerine dönüşmezler. Pluriptent bir hücre vücudun birçok hücresine dönüşebilecek yetenektedir. y Multipotent hücreler gelişmenin daha ileri evresine ait hücrelerdir ve özelleşmiş hücre tiplerine farklıklaşabilirler. y Örneğin, multipotent bir kan hücresi diğer özelleşmiş kan hücrelerine dönüşebilme kabiliyetine sahiptir.
Totipotent hücrelerin yeni bireylere kaynaklık etme potansiyeli
y Totipotent hücreler embriyonun en erken evresindeki kök hücrelerdir. y Pluripotent hücreler embriyonun blastosist evresinden itibaren ve fetusta bulunabilen hü l di
hücrelerdir.
y Multipotent hücreler ise kordon kanı ve yetişkin kök hücrelerdir.
kök hücrelerdir
Temel Kök Hücre Kaynakları Nelerdir?
y Yetişkin kök hücreleri, kordon kanından elde edilen kök hücreler ve embriyonik kök hücreler günümüzde bilinen üç temel kök hücre kaynaklarıdır kaynaklarıdır. y Yetişkin kök hücreleri vücutta birçok doku ve Y i ki kök hü l i ü
bi k d k organda bulunurlar ve bulundukları bölgedeki hü l i h
hücrelerin hasar görmesi durumunda çoğalarak ö
i d
d ğ l k hasarlı kısmın onarılmasını sağlarlar
Multipotent kök hücreler
Kök Hücre Çeşitleri‐Kaynakları
.
y Kordon kanı kök hücreleri doğum sırasında bebeği anneye bağlayan umblikal b
b ği b ğl
blik l kordondan elde edilirler.
y Bu hücreler, her ne kadar erken gelişim Bu hücreler her ne kadar erken gelişim döneminde elde edilmiş olsalar da yetişkin hücre sınıfına girmektedir ve farklı doku ve hücre tipi oluşturma özellikleri benzer p
ş
şekilde sınırlıdır Kök hücre elde edilen iç hücre kitlesi
y Kök hücreler esas itibariyle iki farklı kaynaktan elde edilir. y
y
y Embriyonik
y
gelişim sürecinin erken dönemlerinde g
ş
blastosistin iç hücre kitlesinden elde edilen embriyonik kök hücreler ve embriyonik olmayan kök hücreler (dokuya özgün kök hücreler; doğum sonrası dönemdeki kök hücreler) Embriyonik kök hücreler
y Embriyonik kök hücreler blastosist evresindeki bir embriyonun iç hücre i d ki bi b i
i hü kitlesinden elde edilirler. y Embriyonik kök hücrelerin 1998 yılında E bi
ik kök hü l i 8 l d Thomson ve arkadaşları tarafından üretilebilmesiyle birlikte embriyonik kök hücre konusunda bir çığır açılmıştır
çğ ç
ş .
Embriyonik
b
k olmayan kök hücreler
l
k kh
l
y Günümüzde, insan embriyolarındaki çalışmalar in vitro fertilizasyon kliniklerinde artan ve bağışlanan i f ili
kli ikl i d b ğ l
embriyolarda yürütülmektedir. y Embriyo potansiyel bir canlı olarak kabul edilebildiğinden bu hücrelerin araştırmada veya tedavide kullanımı ile ilgili etik sorunlar ortaya çıkmıştır y Erken embriyonik dönemde embriyonik hücrelerde çeşitli yöntemlerle yapılan genetik ve ç ş y
y p
g
moleküler çalışmalar, o embriyonun gelecekte bazı hastalıklarla ilişkisini ortaya koyabilmektedir ş
y
y
kök hücreler
Embriyonik kök hücreler
y Embriyonik kök hücreler blastosist evresindeki
1 Erişkin kök hücreleri (Dokuya özgün kök
1.
2.
3
3.
4.
5.
hücreleri).
Fetüs kök hücreleri.
Kadavradan elde edilen kök hücreler.
hücreler
Partenot hücreler (partenogenez)
Göbek kordonu kök hücreleri.
bir embriyonun iç hücre kitlesinden elde
edilirler
dili l .
y Bu aşamadaki bir embriyo iki farklı hücre
tipinden
ti
i d oluşur:
l
D
Dış kkısımdaki
d ki ttrofektoderm
f kt d
adı
d
verilen hücreler implantasyon sonrası plasenta
yapısını oluşturmakta iken iç kısımda bir kitle
halinde bulunan ICM hücreleri fetal yapıyı
y py
oluşturmaktadır
Embriyoid cisim yapısı
y Embriyonik kök hücreler pluripotent hücreler vücutta yaklaşık 200 hücre tipine dönüşebilirler. y Embriyonik kök hücrelerden elde edilen hücre kümeleri embrioid cisimcik olarak adlandırılır.
kümeleri embrioid cisimcik olarak adlandırılır
y Bu kümeler üç ana germ tabakasından kaynaklanan çeşitli hücre tiplerine yönlenmiş hücrelerden, farklılaşmamış olanlara kadar değişen hücreleri içermektedir .
y İlk defa embriyonik kök hücreler 1998 yılında Thomson ve ark. tarafından üretilmiştir. y Yaptıkları çalışmalar sonucunda embriyonik Y t kl l
l d bi
ik kök hücrelerin mutlak özellikleri 3 tanedir.
Bu hücrelerin gömülme öncesindeki veya pre implamantasyon evresindeki pre‐implamantasyon evresindeki embriyondan elde edilmeleri,
2. Uzun dönemli farklılaşmadan çoğalabilme U
dö
li f kl l
d ğ l bil özellikleri,
3. Uzun dönemler boyunca kültürde tutulduktan sonra bile her üç embriyonik germ tabakasının türevlerini kararlı bir şekilde oluşturabilme potansiyelleri kild l t bil t i ll i olmalıdır şeklinde açıklamışlardır.
1.
Embriyonik kök hücreleri diğer hücrelerden ayıran morfolojik, genetik ve immünolojik özellikler nelerdir?
özellikler nelerdir?
y Embriyonik kök hücrelerin, diğer vücut E bi
ik kök hü l i diğ ü hücrelerine kıyasla son derece yüksek bir çekirdek/sitoplazma hacim oranı mevcuttur ki d k/ i l
h i ve belirgin pronükleus yapısı içerirler.
y Bu hücreler, destek hücreleri üzerindeki Bu hücreler destek hücreleri üzerindeki Embriyonik hücrelerden elde edilen farklı hücre tiplerine bir kaç örnek
y Embriyonik kök hücrelerin bir diğer önemli
özelliği, kanser hücrelerine benzer sürekli
bölünebilme özelliğine sahip olmaları ve bu
hücrelerden farklı olarak normal bir karyotip
yyapısına
p
sahip
p olmalarıdır.
y Embriyonik
y
kök hücreler, ayrıca
y
ileri moleküler
tanımlama teknikleri kullanılarak tanımlanırlar.
y İmmünolojik
İ
olarak tanımlanabilmeleri için erken
dönemde ekspresyon gösteren işaretçilerin (SSEA‐
1 3,
1,
3 4,
4 TRA‐1‐60 ve 81 vb) veya gen ürünlerinin
(OCT‐4,
Alkalin
Fosfataz
vb.)
immünositokimyasal
y
yyöntemler ile boyanması
y
tekniği
k
k ll l k d
kullanılmaktadır.
kültürleri sırasında üç boyutlu koloni oluştururlar.
oluştururlar
Embriyonik
y
kök hücrenin elde edilmesi ve çoğaltılması
y İnsan embriyonik kök hücreleri daha kısa bir zaman önce araştırmaya uygun hale geldikleri için ö t
h l ldikl i i i bu konuda çalışmaların çoğu fare çalışmalarından gelmektedir.
l kt di
y Embriyonik kök hücreler insanlarda ve farelerde b
benzer yöntemler kullanılarak blastosistin iç hücre l k ll l k bl
h
kitlesinden elde edilmişlerdir. y Farede ya blastosistin tamamı ya da buradan izole edilen iç hücre kitlesi kültür ortamına alınarak çoğaltılmıştır.
y Embriyonik kök hücrelerin vücuttaki tüm y Fare ve primat (ve insan) embriyonik kök hücreleri arasında bazı önemli farklılıklar mevcuttur. arasında bazı önemli farklılıklar mevcuttur y Fakat, bu hücreler pluripotentlik özelliğini Fakat bu hücreler pluripotentlik özelliğini paylaşırlar ve gen ekspresyonunda ortak bir kalıba sahip görünmektedirler sahip görünmektedirler. y Gelişimsel potansiyeli açısından bakıldığında fare embriyonik kök hücreleri trofoblast hücreleri oluşturmazken primatların embriyonik kök oluşturmazken, primatların embriyonik kök hücreleri oluşturmaktadır. y
İnsan embriyonik kök hücreleriyle şimdiye sa e b yo
ö üc e e y e ş d ye
kadar yapılan çalışmalarda, ksenograftlarda ve in vitro denemelerde birçok hücre tipinin (kardiyomiyositler, pigmentli ve pigmentsiz epitelyum hücreleri, sinir hücreleri, hematopoietik hücreler gibi) olduğu bildirilmiştir.
bildirilmiştir
y Fakat çoğu hücre tipi henüz gözlenmemiştir F k ğ hü i i h ü ö l
i i ve sadece çok az çalışmada, farklılaşmış h
hücrelerin gerçekten işlevsel oldukları l
k
l
l ld kl
gösterilmiştir.
dokulara kaynaklık edebileceği sadece farelerde tam olarak gösterilmiştir. y Araştırmacılar, fare embriyonik kök hücreleri ile Araştırmacılar fare embriyonik kök hücreleri ile tetraploid konakçı embriyonik hücreler arasında kimerler oluşturma yoluyla, bütün somatik dokuları embriyonik kök hücrelerden oluşmuş fareler elde ettiler.
y Aynı deneme, fare embriyonik kök hücrelerinden y de e e, a e e b yo
ö üc e e de
elde edilen dokuların işlevsel olduğunu da ortaya koymaktadır. Embriyonik kök hücreleri farklılaşması
kök hücreleri farklılaşması
y İnsan embriyonik kök hücrelerin, uygun in vitro
it ve in vivo şartlarda insan vücudunu i i tl d i
ü d
oluşturan tüm somatik hücre tiplerine dönüşebilme özelliğine sahip olmaları bu hücrelerin yakın gelecekte birçok ölümcül y
g
ç
veya yaşamı olumsuz etkileyen hastalıkların tedavisinde kullanılabileceğini göstermektedir.
y Örneğin insan embriyonik kök hücreleri fare In vivo Farklılaşma
y Etik nedenlerden dolayı, insan embriyonik kök hücrelerinin, bir konakçı embriyosuna verilmesi hü
l i i bi k
k bi
il
i sonrasında bir bebeğin vücudundaki bütün d k l k
dokulara kaynaklık ettiğinin gösterilmesi hiçbir kl k ttiği i ö t il
i hi bi zaman mümkün olmayacaktır.
y Fakat insan embriyonik kök hücrelerinin gelişimsel potansiyeli, bu hücrelerin bağışıklık eksikliği olan bir hayvana aşılanması yoluyla kolaylıkla gösterilebilir.
blastosistine enjekte edilebilir (kimerizm) ve bu hücrelerin faredeki bütün dokularda açığa çıkıp çıkmadığı araştırılabilir.
y Yapılan bir dizi dikkatli denemede, bilim adamları iinsan embriyonik kök hücrelerinin beyin bi
ik kök hü l i i b i hücrelerine dönüşebilme yeteneklerini ve bu hücrelerin bebek farelerin sağlam beyinlerine verildiklerinde sağlam ve işlev gören sinir hücrelerine dönüştüklerini gösterdiler. “Nature Bi t h l
Biotechnology” dergisinde yayımlanan makaleye ” d i i d l
k l göre, erken dönemdeki insan embriyonlarından elde edilen kök hücrelerinin laboratuvar ortamında öncül beyin hücrelerine farklılaşmak üzere yönlendirilebileceklerini gösterdi. y Bu öncül hücreler bebek farelerin beyinlerine nakledildiklerinde beynin ve omuriliğin farklı böl l i i l
bölgelerini oluşturan hücre türlerinden olan hü ü l i d l nöronlara ve astrositlere farklılaşabilme yeteneklerini sergilemişlerdir yeteneklerini sergilemişlerdir. y Bu çalışma iki nedenden dolayı önemlidir.Birincisi; B l
iki d d d l ö
lidi Bi i i i bu çalışma, insan embriyonik kök hücrelerinin beyin hücrelerine farklılaşmak üzere yönlendirilebileceklerini göstermiştir, ikincisi ise; bu hücrelerin hayvanlara nakledilerek normal beyin işlevleri için gereken daha özgün hücre tiplerine dönüşebileceklerini ortaya koymuştur.
p
ş
y
y ş
Fare kök hücresi
vitro Farklılaşma
In vitro Farklılaşma
y Embriyonik kök hücrelerin in vitro farlılaşmasını E bi
ik kök hü l i i it f l l
sağlamak için bir dizi yaklaşım geliştirilmiştir. eritrositler melanositler ve kondrositler gibi eritrositler, melanositler, ve kondrositler gibi birçok hücreye farklılaşabilir.
y Ron McKay ve arkadaşları, yakın geçmişte fare Ron McKay ve arkadaşları yakın geçmişte fare embriyonik kök hücrelerini insülün salgılayan pankreatik adacık benzeri yapılar ve dopamin ve serotonin salgılyan nöronlara farklılaşmak üzere uyardıkları denemeler gerçekleştirdiler. y
g ç
ş
y McKay ve ekibi, embriyonik kök hücreleriyle ç ş y
çalışmaya başlayarak, bunların embriyonik ş y
y
cisimcik oluşturmasını gözlemediler.
y Daha sonra, bu embriyonik cisimler arasından ,
y
nestin salgılayan hücre topluluklarını seçtiler. y Beş parmaklı sofistike bir kültürleme tekniği kullanan araştırmacılar, hücreleri pankreatik adacıklarda bulunanlara benzer adacık benzeri kümeleri ve dopaminerjik ve serotoninerjik nöronları oluşturmaları yönünde uyarmayı ş
y
y
y
başardılar.
y McKay’ın pankreatik adacık benzeri hücreleri, normal glikoz seviyelerde olmasına rağmen insülin salgılayarak cevap verdiler Hücreler diyabetli salgılayarak cevap verdiler. Hücreler diyabetli farelere verildiklerinde, diyabetin belirtilerini g y ç
geriye çevirmelerine rağmen hayatta kaldılar ğ
y
Embriyonik kök hücrenin kullanım alanları
kök hücrenin kullanım alanları
Embriyonik
b
k kök hücrelerin tedavi amaçlı k kh
l
d
l
kullanım potansiyelleri nelerdir?
kullanım potansiyelleri nelerdir?
İnsan embriyonik kök hücrelerinin in vitro
ortamda özgün hücre serilerine farklılaşmasına
dayanan g
gözlemler bu hücrelerin ;
y Özellikle fare embriyonik kök hücreleri ile gerçekleştirilen çalışmalarda, bu hücrelerin çok farklı hücre tiplerine dönüşebildiği bilimsel olarak kanıtlanmıştır. y
y Buna paralel olarak elde edilen insan embriyonik kök y
hücreleri, sahip oldukları sürekli kendini yenileme ve insan hücreleri
sahip oldukları sürekli kendini yenileme ve insan vücudunu oluşturan tüm hücrelere dönüşebilme potansiyelleri sayesinde, yakın gelecekte Alzheimer, d b
diyabet, Parkinson, enfarktüs gibi günümüzde tedavi k
f k
b
d
d
imkanı olmayan veya son derece sınırlı olan hastalara bu imkanı sağlayabileceklerdir. y
y
Yeni ilaçlar için gen hedeflerinin tanımlanmasında,
l
d
Gelişimsel biyolojide teratolojik ve toksik bileşiklerin tanımlanmasında,
bileşiklerin tanımlanmasında
Gen tedavilerinde ve, Hücre esaslı tedavilerde kullanılmak üzere hücrelerin ve dokuların üretilmesinde kullanabileceğini göstermektedir. ğ g
y Beta hücreler üretilmiş ve TipI diyabetik insan karaciğerine aktarılarak 22. günde insülin alınımı karaciğerine aktarılarak 22 günde insülin alınımı tamamen durmuştur (Japonya). Deri altına aktarılmada da başarılı sonuçlar alınmıştır.
aktarılmada da başarılı sonuçlar alınmıştır
y Avusturalya’da kalp yetmezliği olan hastaya aktarılan myositlerle yetersizlik ortadan kalkmıştır
y Köpek mesanesi üretilmiş ve sağlıklı olarak çalışmaktadır İnsanlarda birkaç yıl içinde çalışmaktadır. İnsanlarda birkaç yıl içinde gerçekleşecektir.
y Yedek organ üretimi gerçekleştirmek için çok ümit verici görünmektedir.
Embriyonik Kök hücrelerin kullanım alanları
Nanometre
y Nanometre (nano: cüce):
Nanoteknoloji ve
Uygulamaları
Ölçü birimi olarak metrenin milyarda y
biridir.
y Bir nanometre düzlemine 2‐3 atomu alabilecek büyüklüğü ifade etmektedir.
ifade etmektedir
Nanoteknolojij
y
Maddenin atom seviyesinde bilinçli olarak
işlenmesi ile özgün amaçlara yönelik, daha
gelişmiş materyaller ve araçlar üretmeyi
amaçlayan, disiplinler arası bir bilimdir.
y
Nanoteknolojinin çalışma boyutları; 0.2‐100 nm ebatları arasındadır.
Nanoteknoloji üç milyar yıldır canlı Nanoteknoloji
üç milyar yıldır canlı
hücrelerin içerisinde mevcuttur.
ç
Buna en güzel örneklerden biri mikro RNA molekülleridir
mikro RNA molekülleridir…
Tek Duvarlı Karbon Nanotüpleri
Nanomateryaller
y
y Literatürlerde Literatürlerde “Single Walled Carbon Single Walled Carbon 1 Tek Duvarlı Karbon Nanotüpleri 1.
(SWNT)
2 Çok Duvarlı Karbon Nanotüpleri 2.
(MWNT)
3 Metal Nanopartikülleri
3.
y
y
y
y
Nanotube” (SWNT) olarak bahsedilmektedir.
Çapları 0,4‐2 nm arasındadır.
Düz sayfalı grafitin tek tabakalı silindir biçiminde sarılmasıyla elde edilir.
Uçları yapışkan yada kapalı olabilir.
ç
y pş
y
p
Kapalı uçlarında fulleren yarımları mevcuttur.
Ç k
Çok Duvarlı Karbon Nanotüpleri
l
b
ü l i
y Literatürlerde Literatürlerde “Multy Walled Multy Walled Carbon Nanotube” (MWNT) olarak bahsedilmektedir.
y Çapları 1,4‐100 nm arasında olabilmektedir.
y Kesitleri konsentrik iç içe geçmiş tüpler şeklindedir.
y Her iki katmanı arasındaki öl ü kl k ölçü yaklaşık 0,34 nm’dir.
’di
Nanotüplerin Sulu Ortamlardaki Özellikleri
Nanotüplerin Sulu Ortamlardaki Özellikleri
y Karbon nanotüplerinin biyolojik ortamlarda K b ü l i i bi l jik l d kullanılabilirlikleri sulu ortamdaki davranışlarıyla doğrudan ilişkilidir.
ğ
ş
y Karbon nanotüpleri çeşitli çözücüler içerisinde zorlukla dağılabilen ve uygun olarak çözünemeyen yapılardır.
y Nanotüplerin çözünürlükleri, bağlı oldukları fonksiyonel gruplarla ve bu grupların nanotüpler üzerine bağlanma biçimlerine (kovalent nonkovalent) değişebilmektedir.
biçimlerine (kovalent nonkovalent) değişebilmektedir
Nanotüplerin Sulu Ortamlarda Davranışları
Nanotüplerin Sulu Ortamlarda Davranışları
y Nanotüplerin sulu ortamlardaki düzenlenebilir ççözünürlükleri sayesinde, biyolojik sistemlerde özgün y
, y j
g
uygulamalara izin vermektedirler.
y Etkili bir toksin serbest halde öldürücü etkiye sahipken, y
p
nanotüplere bağlandığında etkinliğini yitirmektedir.
y Nanotüplere sulu ortamda çözünürlük kazandırmak için yüzeylerine işlevsel kimyasal gruplar bağlanmaktadır.
Nanotüplerin Sulu Ortamlarda Çözülmeleri İçin Çeşitli Yaklaşımlar
y
Nonkovalent bağlar ile nanotüplerin yüzeyleri aktif olacak maddelerle (nükleik asitler, peptidler, oligomerler ve polimerler) nonkovalent olarak işlevselleştirilmesini p
)
ş
ş
π
kapsamaktadır. Bu yöntemin en büyük avantajı nanotüplerin aromatik yüzeylerinin korunmasıdır.
Kovalent bağlar ile nanotüplerin yüzeyleri ve uçları Kovalent bağlar ile nanotüplerin yüzeyleri ve uçları, organik olarak fonksiyonlu hale gelmesi sağlanmıştır. Kovalent bağlı hidrofilik yapılar çözünürlük sağlamanın bir örneğidir Kovalent bağlarda nanotüplerin aromatik bir örneğidir. Kovalent bağlarda, nanotüplerin aromatik yapıları bozulmaktadır.
y
Kovalent Bağla İşlevselleştirmek İçin İki Farklı Yöntem Vardır
l
ğl İ l
ll
k İ İk
kl
d
1.
2.
Oksidatif muamele ve kuvvetli asit solüsyonu kullanılarak gerçekleşmektedir. Derişik asit g ç
ş
ş
çözeltilerinde, sıcaklık ve sonikasyon gibi reaksiyon koşullarında üretilen karboksilik fonksiyonlu tüpler, uçlarından ve eksik olan noktalarından kesilmiştir uçlarından ve eksik olan noktalarından kesilmiştir. Karboksilatlar, değişiklik içeren nanotüplerin çözünülürlüğünü düzenlemektedir.
Duvar yönlerine farklı işlevsel gruplar yerleştirilerek gerçekleşir. Kovalent fonksiyonlar, y
nonkovalent fonksiyonlara göre çoğu uygulamada kararlılık ve ğ l
d k
l l k sağlamlık göstermektedir.
sağlamlık göstermektedir
İşlevselleşmiş Nanotüplerin Biyolojik Sistemlerde Gerçekleştirdiği Bazı Roller
y
y
y
y
y
y
y
y
Kontrollü apoptoziste
İlaç dağıtımında
Gen dağıtımında
Nöral büyümede substrat
Organ onarımında
Kemik iyileşmesinde
Organik madde taşınması
Fizyolojik katalizör olabilmektedir.
y Genetik çalışmalarda vektör ç ş
olabilmektedir.
y Hücrenin ozmotik değerlerinin y
y
y
y
y
y
kontrolünde
Hücre adezyonu çalışmalarında
İmmün sistem desteğinde
Toksisite indirgemede
Biyoreseptör çalışmalarında
Kanser tedavilerinde
Gü ü Gümüş nanopartiküller iküll antibakteriyel,antifungal ve antiviral ajan olabilmektedir.
Nanotüplerin Penetrasyonunu
y
Penetrasyonun kimi deneylerde nasıl olduğu tam olarak açıklanamasa da bilim adamları genel iki yöntem üzerinde durmaktadır:
İşlevsel nanotüplerin pasif difüzyon yolu ile tıpkı nano iğneler gibi hücre membranının çift lipit tabakasını, hücreye zarar vermeden delip geçmesi
Dış yüzeylerine protein absorblanmış nanotüplerin endositoz yolu ile hücre içine alınması prensiplerine d
dayanmaktadır.
k d
1.
2.
İ
Kontrollü Apoptozis ve İlaç Dağıtımı
Nöral Büyümede Substrat
y H. Dai ve ekibince yapılan bir deneyde sitokrom‐c kaplı nanotüpler, memeli hücrelerinde hedeflenen bölgede kontrollü apoptozis gerçekleştirmiştir.
p p
g ç
ş
ş
y Bilim adamları sonuç olarak nanotüplerin ilaç dağıtmında rol alabileceğini düşünmüşlerdir.
y Bu çalışma biyolojik sistemlerde nanomateryallerin kullanılmasında yeni ufukların kapılarını açmıştır.
ufukların kapılarını açmıştır
y Behnke ve ekibince yapılan bir çalışmada
y Göz sinirleri tahrip edilmiş bir hemstırın y
y
y
y
göz sinirleri iyileştirilerek tekrar görmesi ğ
ş
sağlanmıştır.
Araştırma ekibi SAPNS (kendiliğinden monte olabilen nanofiberler) kullanmıştır
Bu 5 nm lik fiberler göz sinirlerine sızarak 5
g
aksonar bir köprü oluşturmuşlardır.
Bu işlemden 24 saat sonra görme tekrardan başlamıştır.
Nanofiberler 3‐4 hafta içerisinde idrar ile dışarı atılmıştır.
K
T d ii
Kanser Tedavisi
y Dai ve ekibinin başka bir çalışmasında;
y Nanotüpler folate ile kaplanıp, kaplanıp kanserli hücrelere gönderilmiştir.
y Kanserli hücrelere selektif olan folate sayesinde binlerce nanotüp kanserli hücrelerin herbirine lökalize olmuşlardır.
y Canlı sistemler için geçirgen 800‐1100 nm NIR ışınlarına tabi tutulan nanotüpler ısınıp kanserli hücreleri öldürmüştür.
Toksisite İndirgeme Çalışması
y Yinghuai ve ekibince yapılan bir çalışmada;
y Serbest dozunun %40’ından fazlası ölümcül olan AmB Serbest dozunun %40 ından fazlası ölümcül olan AmB nanotüpler üzerine kovalent bağlanmıştır.
y Sonuç olarak nanotüpler; ilaç etkisini kaybetmeden, Sonuç olarak nanotüpler; ilaç etkisini kaybetmeden azalan bir toksisite ile memeli hücrelerine girmeye başlamıştır.
ş
ş
Kemik ve Doku Onarımı
ik
k O
y Haddon ve ekibince yapılan bir H dd kibi l bi çalışmada;
y Fosfanat ve poliamin benzen sülfonik asitle işlevselleşen nanotüpler, hidroksiapatit tabakası oluşturup kemik onarımı ve kalınlaşması sağlanmıştır.
y Ancak kemik oluşumu ve kalınlaşması ş
ş
kontrol edilemediğinden istenmeyen sertlik, kalınlık ve çatallı kemikler oluşmaktadır.
l
k d
İmmun Sistemin Desteklenmesi
y Pantaranto ve ekibince yapıla bir çalışmada;
y Ağız ve ayakta hastalık yapan bir virüsün Son günlerde metal nanopartikülleri yeni bir sınıf
Son günlerde metal nanopartikülleri yeni bir sınıf nanomateryal olarak kullanılmaktadır.
y Kullanılan başlıca partiküler; altın ve gümüş K ll l b l tikül lt ü ü VP1 proteininden, B lenfositlerinin VP1 proteininden
B lenfositlerinin epitopuna bağlanan yapılar hazırlanmıştır.
y Yüzey Plazmon Rezonansı ve ELISA testleri l
l
sonucu spesifik antiorlarıyla tanındığı p
y
ğ
gözlemiştir.
elementleridir.
y Gümüş asırlardır insanların yiyeceklerini saklamak amacı ile kullanılan eşyaların yapısına girmektedir.
y Antibakteriyel, antifungal ve antiviral etkileri A ib k i l if
l i i l kil i söz konusudur.
y Gümüş nanofiberlerle üretilmiş kumaşlar Gü ü fib l l ü til i k
l y Altın nanpartikülleri eşsiz optik özellikleri l
k ll
k
ll kl
antibakteriyel özellik taşımaktadır.
y Gümüş partikülleri üzerine, istenilen hücreye özgün fonksiyonel grupla birlikte; Na, K veya Cl iyonları eklenerek hedef hücrenin ozmotik değerlerini değiştirmeye yönelik çalışmalar mevcuttur.
sayesinde biyoreseptör olarak y
y
p
kullanılabilmektedirler.
y Monoklonal anti‐epidermal büyüme faktörü Monoklonal anti epidermal büyüme faktörü reseptör antikorları altın nanopartiküllerine b ğl
bağlanarak kanserli hücrelerin k k
li hü l i absorblayabileceği nanoyapılar hazırlanır.
y Bu çalışmanın verdiği birikimle birlikte altın nanopartikülleri PEG’lü (polietilenglikol ile kaplanmış) işlemi ile kanserli hücrelere selektif hale getirilip, kanserli hücrelere özgü ilaç l k
l h
l
l
dağıtım aracı olarak kullanılmıştır.
Toksikoloji çalışmaları
Toksikoloji çalışmaları
y Bu çalışmalarda genellikle yeni sentezlenen ve günlük yaşantımızda oldukça fazlaca ü lük d ld k f l kullanılan kimyasalların y
genotoksik/mutagenik etkileri belirlenmektedir.
y Çevre kirliliği açısından da bu kimyasalların etkileri özellikle genotoksisite açısından kil i ö llikl k i i d oldukça yoğun bir şekilde çalışılmaktadır
Toksikoloji çalışmaları
k ik l ji l
l
y Bizim laboratuarımızda da değişik ortamlardaki Kurşun kirliliği ve bunun biyosensörü olan ALAD enzimi üzerine yoğun çalışmalar yapılmaktadır.
y Genotoksisite belirleme çalışmaları için özellikle yeni geliştirilen Ames, Comet, yeni bir yöntem olan ve tarafımızdan geliştirilen RAPD tekniği kullanılmaya başlamıştır.
y Bu arada Kromozom aberrasyonu, Deniz kestanesi, Bu arada Kromozom aberrasyonu Deniz kestanesi Kurbağa embriyosu, Drosophila ve midye yöntemleri zaten kullanılmaktaydı.