Biyoloji'deki Teknolojik Gelişmeler ve Önceliklerimiz Prof.Dr. Feray KÖÇKAR, Balıkesir Üniversitesi, Fen-Edebiyat Fakültesi Biyoloji Bölümü [email protected] Lise Öğretmenleri-Fizik, Kimya, Biyoloji, Matematik- Proje Danışmanlığı Eğitimi Çalıştayı Şubat 2013 1 Biyoloji Biyoloji eski Yunanca’da bio, “hayat"; ve logos, “kavrama", “Hayatı kavrama“ anlamına gelmektedir. Canlı organizmalar, sınıflandırılması, yapı, işlev, büyüme, köken, evolüsyon ve onların çevre ile ilişkilerini araştırır. 2 Biyoloji canlıları her düzeyde inceler 3 Hücresel Düzey 6 4 Organizma Düzey 5 Populasyon Düzeyi 10 6 7 Kısaca….. Temel bir bilim olan biyoloji, canlı ve doğa ile ilgili her konuyu kapsar. Biyoloji araştırmalarının gelişmesi teknolojik gelişmelerle yakından ilgilidir. 8 Biyoteknoloji • Biyoteknoloji ise biyoloji ve teknoloji içeren diğer bir bilim dalı arasındaki bir etkileşim sonucu oluşan bir bilim dalıdır. • Aslında binlerce yıl öncesinden beri insanların kullandığı bir sistemdir. Yoğurdun yapımı yada fermentasyon işlemleri 9 20 Yüzyılda Biyoteknolojideki 3 Önemli Gelişme 1920 lerde Weizmann, Clostridium acetoblltylicum nişasta dan, bütanol ve aseton yapımında kullanılmıştır. Bu olay biyoteknolojinin ilk keşfi olarak adlandırılmıştır. Alexander Fleming tarafından 1940’larda Penisilin’nin büyük ölçüde üretilmesi 1970’de Genetik Mühendisliğinin Doğuşu 10 James Waston (1928-) Francis Crick (1916-2004) Nobel Ödülü 1962 11 Tarihçe Genetik Mühendisliği ve Biyoteknoloji 1917 Karl Ereky «Bioteknoloji» tanımını yapar. 1943 Endüstride Penisilin büyük ölçekte üretilmiştir. 1970 İlk restriksiyon enzimi 1973 Boyer ve Cohen Recombinant DNA Teknolojisinin ilk adımını atmıştır. 1978 «Genentech» Ecoli’de ilk insan human insulini oluşturulmuştur. 1980 Amerikada temyiz mahkemesi Diamond v. Chakrabarty nin başvurusu üzerine, genetik olarak değiştirilmiş mikroorganizmaların patentlenebileceği üzerine ilk kararını alıyor 1982 Rekombinant DNA teknolojisi ile oluşturulan ilk aşı Avrupa’da onaylanmıştır. 1983 T plasmidi bitkileri transforme etmek için kullanılmıştır. 12 1990 Amerikada ilk insan somatik hücre gen terapisi için izin verilmiştir. 1990 Rekombinant kimozin Amerikada peynir yapımında kullanılmıştır. 1996 Rekombinant protein, eritropoietin, yıllık 1 milyon doları geçiyor. 1996 Ticari olarak genetik modifiye bitkiler ekiliyor. 1997 Farklılıaşmış hücre çekirdeğinden memeli koyun klonlanması 1998 FDA ilk antisens ilacı onaylamıştır. 1999 FDA rekombinant fuzyon protein (difteri toksini-interleukin-2) T hücre lenfomasına karşı kullanılması için onay vermiştir. 2000 Monoklonal antikorların yıllık $2 milyarlık bir Pazar oluştumuşlardır. 2000 "golden pirinç " (provitamin-A-üreten pirinç ) yapıldı. 2001 İnsan genom projesi aydınlatıldı. 2002 İnsan gen mikrodizinler ticari olarak piyasaya sürülmüştür. 13 Genetik Mühendisliği Genetik mühendisliği genlerin yeniden düzenlenmesidir 14 Gen Klonlanması Nedir? 15 Rekombinant DNA İnsan Büyüme Hormonu Geni İnsan Büyüme Hormonu Geni İnsan Hücresi Bakteri kromozomu Bakteri hücresi Plasmid Yapışkan uç DNA ligasyonu Hücre içine rekombinant DNA aktarılması İnsan büyüme hormonu geninin içeren bakteri hücresi Neden genleri klonlarız? • • • • • Gen bölgesinden binlerce kopyanın oluşturulması Genin yapısının ve işlevinin belirlenmesi Protein yapıdaki ilaçların üretimi İstenilen özellikte tarım ürünleri oluşturmak için. Genetiği ile oynanmış organizmalar elde etmek için. 17 Rekombinant Proteinlerin Eldesi 18 Rekombinant Proteinler • Şeker hastalığı için insülin • Hemofili A için, factor VIII • Hemofili B için factor IX • İnsan Büyüme Faktörü • Anemi için erythropoietin (EPO) • İnterferon ve interlökinler • Kemik iliğini uyarmak için kullanılan granulocyte-macrophage colonystimulating factor (GM-CSF) • Kan pıhtılarını çözme işine yarayan tissue plasminogen activator (TPA) • Bazı karışık immun sistem eksikliği hastalığını tedavi etmek için, adenosine deaminase (ADA) • Bazı antikanser proteinler, angiostatin ave endostatin • parathyroid hormone • Leptin • Hepatitis B virusüne karşı bağış yanıt oluşturmak için hepatitis B surface antigen (HBsAg) 19 Rekombinant Proteinler • Kan damarları oluşumunu hızlandırarak doku oluşumunu arttırmak için Tissue growth factor-beta (TGF-β). • Kistik Fibroz için DNAaz • Hayvanlarda Et ve süt oluşumunu arttırmak için Bovine growth hormone, • Şeker hastalarında deri ülserini tedavi etmek için Platelet derived growth factor (PDGF). • Özellikle çevresel kirleticileri degrede eden çevre dostu genetik değişime uğratılmış bakteriler ve enzimler. 20 2000 yılından beri, rekombinant DNA teknolojisi ile yüzlerce yeni ilaç geliştirilmiştir. Bunlardan yeni 200 tanesi insanların kullanımı için klinik denemelerden geçmiştir. 700 den fazla rekombinant ürün geliştirilmiştir. Pek çok ürün marketlerde yerini almıştır. 21 Transgenik bitkiler 22 GDO nedir? Frankeştayn yiyecekler? • Bir organizmadan alınan genin yeni bir organizmaya transferi, yada • Var olan bir genin baskılanması ile oluşturulur. 23 Taç Tümörü 24 Ti Plazmidi 25 GDO yapımı Bitki hücreleri içinde, Agrobacterium Transfer edilecek gen Agrobacterium tumefaciens DNAsı kromozoma entegre olur. Hücresel DNA Rekombinant plasmid Bitki hücre Bakteriler hücre içine sızar. İstenen özelliği ekstra taşıyan bir bitki Transgenik Lahana Lahana+ akrep zehiri = Böceğe dayanıklı lahana Bilim adamları akrep zehirinin bir geninin lahana transfer etmişlerdir. Böylece bitki zararlısı böcekler yok edilmiştir. 27 Soğuğa Dayanıklı Domates • Soğuk sularda yaşayan Arctic char balığı domatese aktarılmıştır. 28 Soğuğa Dirençli Çilekler 1. Flounder soğuğa direnç geni klonlanmıştır. 2. Plazmid içindeki gen bitki hücresine kolay girebilen agrobacterium içine sokulmuş ve çileğe transfer edilmiştir. 3. Yeni soğağa dayanıklı çilek!!!. 29 Altın Pirinç : Vitamin A eksikliği ve besin eksikliği durumunda oluşan körlüğe çözüm? Beta karoten yapabilecek altın pirinç için üç yeni gen pirince aktarılmıştır. İki tanesi daffodilden ve üçüncüsü bir bakteri. 30 B. thuringiensis : Böcek karşıtı • B. thuringiensis 'Bt' böcek öldürücü bir endotoksin içeren bir bakteridir. • Lepidopter tırtılaları (Kelebek ve Güve) • Sivri sinek larvaları • Afrikada körlük oluşturan siyah sineğe karşı . • Bt ürünleri toplam tarım markette tüm zararlı önleyicilerin %1’ini oluşturmaktadır. 31 Yenilenebilir Aşı : Transgenik Muz • Dünya sağlık örgütü (WHO), raporları 2 milyondan fazla çocuk ishalden ölmektedir. Araştırıcılar, Escherichia coli ve Vibrio cholara tarafından yapılan diyare için ilk yenilebilir aşı geliştirmişlerdir. 32 GDO’ların Potensiyel Yararları – Yağ, nişasta, hormonlar gibi ürünleri sentezleyebilirler. (örneğin şeker hastaları için insan insülin hormonu bakteri tarafından sentezlenmektedir). – Sebze ve sütten yenilebilir aşı oluşturulması . – Yiyecek endüstrisinde enzim sentezlenmesi – Daha besleyici yiyeceklerin oluşturulmasında (örneğin, yüksek protein içeren bitkiler, daha fazla esensiyal aminoasit içeren bitkiler (metionince zengin fasülye yada lizince zengin mısır). A vitamini öncülü içeren pirinç . – Büyümleeri için kendi nitrojenlerini fiks eden bitkiler. – Soğuğa dirençli bitkiler – Zararlılara dayanıklı bitkiler – Herbisitlere dayanıklı bitkiler – Hastalıklara dirençli bitki ve hayvanlar 33 – Bazı hastalıkları tedavi etmek için gen terapisi GDO’ların Potensiyel Zararları • GDO bitki ve hayvansal ürünlere karşı alerji • Normalde organizma için yeni bir genin diğer genlerle rekombinasyonu. • Tüketcilerin bu ürünlere karşı tepkili olması • GDO’ların kontrolsüz ekilmesi ekolojik sistemi bozabilir. • Son yıllarda kanserojen olabileceği ile ilgili çalışmalar. 34 35 Transgenik Hayvanlar 36 Transgenik Fareler • Aynı yaşta iki bebek fare. • İnsan Büyüme hormonu fare embriyosuna transfer edilmiştir. 37 Tüysüz Tavuk Tüysüz Fare 38 Green Fluorescent Protein (GFP) 39 Işık saçan canlılardan biri de kuzeybatı Pasifik sahillerinde yaşayan Aequoria victoria (Jellyfish) denizanasıdır. Bu denizanası aequorin isimli bir protein sayesinde dışarıdan aldığı mor ışığı Yeşil Floresan Protein (GFP - Green Fluorescent Protein) tarafından yeşil ışığa dönüştürülerek etrafa verildiği keşfedilmiş. Jellyfish cell Virus Virus inserting their DNA into a cell 1. Deniz anası parlayan bir proteine sahiptir 2. GFP geni deniz anasından alınırve vektör içine yerleştirilir 3. GFP taşıyan vektör aktarılacak organizmanın yumurta hücresine aktarılır. 4. Ergin hale gelen organizma özel ışık kaynaklarında parlayan bir görünüme sahiptir. Mouse cell 41 Parlayan Balıklar What’s • Deniz anasındaki parlamayaNext? neden olan gen aktarılmış zebra balıkları Red fish, blue fish, yellow fish, GLOW FISH? 42 GFP ve Mayın • North Carolina üniversitesindeki Neal Stewart mayınları bulabilen Trinitrotoluene duyarlı florasan bitkiler dizayn etmiştir. • GFP geni aktarılmış bitkiler biyosensör olarak kullanılmaktadır. Özellikle şüpheli alanlarda kullanılırlar. 43 GFP ve Fareler 44 Luciferin & Luciferase Genes 45 Canlı Klonlama 47 Dolly – İlk memeli klon Yetişkin hücre klonlanması • UK’de Roslin Enstitü • 1996 da ilk klonlama • Method: Nüklear transfer Dolly nasıl oluşturuldu? 1. Basamak Yetişkin hücreler alındı. Hücre kültüründe büyütüldü. 2. Basamak Diğer bir koyundan döllenmemiş bir yumurta alınmış çekirdek uzaklaştırılmıştır. Boş bir yumurta hücresi kalmıştır. Dolly nasıl oluşturuldu? 3. Basamak Yumurta hücresi somatik hücre ile birleştirildi. 4. Basamak 6 gün sonra, embryo dişi bir koyunun rahmine verildi. Dolly nasıl oluşturuldu? 5. Basamak Anne, Dolly’i doğurdu. Dolly somatik hücre alınan koyunla aynıydı. Fare Klonlama • Cumulina 1998 • University of Hawaii Danada Klonlama • 1998 • Kinki University Japonya Photo from Ming Pao 28th December 2002 Klon Domuzlar • 2000 yılında • Mille, Christa, Alexis, Carrel ve Dotcom • PPL Therapeutics,UK Photo from Ming Pao 28th December 2002 Karbon Kopya kedi • 2002’de • Texas A & M University, USA Klon Prometae • 2003 • İtalya Photo from Nature No.6949 İlk Klonlanan Köpek «Snuppy» • Snuppy, klonlandıktan 67 gün sonra. 57 Diğer Klonlamalar • Eşek Klonlama, 2004, USA • Köpek Klonlama, 2005, Korea • Rhesus maymun klonlama, 2007, Oregon, USA KLONLAMAK yada KLONLAMAMAK ???? Avantajlar ve dezavantajlar 59 Avantajlar • Tehlike altındaki hayvanları çoğaltmak. ? ? Avantajlar • Transgenik organizmaları klonlamak. İstenilen bir soy oluşturmak, protein yada organ üreten. • Çinde, Deli Dana hastalığına karşı direnç geni taşıyan dana klonlanmıştır. 61 Klonlamada Endişeler • Karışık bir teknoloji • Klonlanmış canlıların yaşam ömürleri oldukça kısadır. Kalp, akciğer ve bağışıklık sistemde yetersizlikler yaygındır. • Yetiştiriciler kendi hayvan soylarının tek olmasını isteyebilirler. • Yetiştiriciler aynı değil de daha iyi verimlilikte bir canlı isteyebilirler. Ev hayvanlarını klonlamak için bir şirketler vardır • Genetic Savings & Clone – 2000 yılında kurulmuş 2001 de klonlanmış kedi yapmışlardır. • 2004 yılında ilk ticari klonlanmış kediyi (Nicky ) US$50,000’a yapmışlardır. • Şirket 2006’da kapanmıştır • BioArts International şirketi köpek klonlamak için kurulmuştur. İNSAN VE HAYVAN KARIŞIM Hibrit Organizmalar Keçi Kafalı Yılan Kuyruklu Aslan vücutlu 64 Neden Hibrit organizmalar? • Araştırmalar için daha iyi bir model. • Yapay organ çalışmaları için umut vaat etmektedir. 65 Tavşan ve İnsan • Çinde 2003 yılında ilk insan-tavşan füzyonu gerçekleştirildi. • Birkaç gün laboratuvarda yaşadıktan sonra embryo imha edildi. 66 İnsan ve İnek • In 1998, Massachusetts’de bir amerikan şirketi Advanced Cell Technology, Dr Jose Cibelli, bir hücre aldı ve bir nükleusu çıkarılmış bir ineğin yumurta hücresi içine yerleştirildi. 32 hücrelik evreye kadar embryo normal bölündü. Sonra embryo imha edildi. 67 Fare ve İnsan • İnsan kulak geni verilmiş fare • Mayo Klinikte yapılmış insan kanı taşıyan domuzlar 68 İNSAN KLONLAMA Neden insan klonlanmakta? • Geleneksel olmayan üreme yöntemidir. – In vitro fertilizasyon – Taşıyıcı anne – Çocuk sahibi olma Neden insan klonlanmakta? • • • • İnsan gelişim çalışmalarında Organ çalışmalarında Genetik Mutasyonların Hamilelik şansının arttırılmasında Neden insan klonlanmakta? • Bazı soy ve yeteneklerin korunmasında • Yaşamın uzatılmasında İnsan klonlama Çalışmaları Klonlama Reproduktif 2001 Terapötik 73 Terapatik amaçlı İnsan Klonlanması? İngilterede New Castle Üniversitesinde bilim adamları 11 kadın dan yumurta hücrelerini aldı. Genetik materyalini uzaklaştırdılar. Genetik yapı olarak embriyonik kök hücre yerleştirdiler. Oluşan hücre hücrenin tam bir kopyasıydı. Kök hücre çalışmaları için tam bir modeldi. İngiltere’de terapatik amaçlı klonlama izin verilmekte. Tam tersine tam bir bebek oluşturmak amaçlı klonlama 2001 yılından itibaren İngiltere’yi de kapsayan pek çok ülkede yasaklanmıştır. bir 74 Kök hücre çalışmaları Kök hücre çalışmaları pek çok hastalık için tedavi umudu oluşturmaktadır. 75 Terapötik klonlama • Klonlanmış embryo – Parkinson ve alzheimer gibi hastalıklarda çözüm olabilecek beyin hücreleri – Diyabetin çözümü için Pankreatik islet hücreleri Terapötik klonlama – Omurga hasarları sinir hücrelerinin verilmesiyle düzeltilebilir. – Özellikle kan hücre kaynaklı hastalıkların tedavisi için Kan ve kemik iliği hücreleri Embryonik kök hücreler Yetişkin kök hücreler İnsan Klonlama ile ilgili son gelişmeler • Clonaid adlı firma 26 Aralık 2002’de ilk klonlanmış bebeğin yaptıklarını duyurdu. • İkinci doğum Hollandalı bir lezbiyen kadın tarafından 2003 yılı ilk aylarda gerçekleştirdiğini ileri sürdü. • Üçüncü doğum oğullarını kazada kaybeden Japonyalı bir çift tarafından gerçekleştirildiği duyuruldu. CLONAID™ was founded in February 1997, by Raël, the leader of the Raelian Movement, an international religious organization, which claims that a human extraterrestrial race, called the Elohim, used DNA and genetic engineering, to scientifically create all life on Earth. http://www.clonaid.com 81 İnsan Klonlama ile ilgili son gelişmeler • Koreli bilim adamı Dr. Woo-suk Hwang klonlanmış insan embriyolarını yaptığını söyledi (Science, Feb. 12, 2004) Daha sonra bunun gerçek olmadığı anlaşıldı. • Amerikalı bilim adamı Panayiotis Zavos 14 insan embryosunu klonladığını ve bunlardan 11’nin 4 kadının rahimlerine yerleştirdiğini duyurdu. (April, 2009) İnsan Klonlama ile ilgili son gelişmeler • Ağustos 2004 - UK terapötik klonlama ile ilgili ilk lisansı vermişler. • Kasım 2004 – California’lılar $3 Milyarlık bir bütçeyle embriyonik kök hücreleri desteklemek için Rejeneratif Tıp Enstitüsünü kurmuşlardır. Gen Terapisi 84 85 Gen Terapisi Nedir? 1. Kistik fibrozis geni mutasyonulu ise, normal işlevini yapamaz. 2. Problemi çözmek için normal bir kopyanın bir virüs içinde iletilmesi gerekir. 3. Hastaya aktarılan protein normal işlevini yaparak hasta normal nefes alabilecektir. Hasta Hücresi Hastanın bozuk geni Yeni çalışan geni içeren virüs DNA Hasta DNA sı virüsle gelen yeni gene sahiptir. 86 p53 geni-gen terapisi 87 Genomik ve Biyoinformatik Biyoteknolojide Yeni Alanlar • Genomiks – Tüm genomları klonlama , tüm genomu haritalama • Tüm genom klonlanıp dizi analizi yapılmaktadır. • Next Generation Dizi analizi ile yöntemleri ile • Her bir gen Biyoinformatik çalışmalarla çözümlenmektedir. • Bioinformatik – DNA dizileri bilgsayar programları ile farklı parçalar benzerliklerine göre tanımlanabilir. Protein kodlayan ve düzenleyici bölgelerin, intronların yapıları belirlenebilir. Genomik ve Biyoinformatik Biyoteknolojide Yeni Alanlar • İnsan Genom Projesi – 1990’da U.S. Department of Energy tarafından başlatılmış bir proje – Uluslararası pek çok araştırıcıyı kapsayan dev bir proje Tüm genlerin ve tüm kromozomların dizisinin çıkarılması – 6 ülkeden 20 merkez: Çin, Fransa, Almanya, İngiltere, Japonya, ve Amerika Genomik ve Biyoinformatik Biyoteknolojide Yeni Alanlar • İnsan Genom Projesi – 14 Nisan 2003 insan genom haritası tamamlandı – Protein kodlayan genlerin 20,000 ile 25,000 arasında olduğu gösterildi. Genomik ve Biyoinformatik Biyoteknolojide Yeni Alanlar • İnsan Genom Projesi yeni projeleri (Omiks ) de başlattı • Proteomiks – Proteom çalışmaları • Metabolomiks – metabolom (Tüm küçük moleküllerin rol oynadığı hücresel olaylar • Glikomiks – glikozom çalışmaları (Bir organizma var olan tüm karbonhidrat molekülllerin durumu) • Interaktomiks – Bir hücredeki yada hücreler arası proteinlerin etkileşimlerini hen biyoinformatilk hemde deneysel anlamda inceler. • Transkriptomiks – Transkriptom çalışmaları (Bir hücredeki tüm RNA molekülleri mRNA, rRNA, tRNA, ve kodlanmayan RNA) • Nutrigenomiks – Yiyecek ve yiyecek ürünlerinin gen ifadesine etkilerinin çalışılması. – Yiyeceklerin DNA transkripsyonu ve protein sentezi sürecine etkileri Genomik ve Biyoinformatik Biyoteknolojide Yeni Alanlar • Karşılaştırmalı Genomiks – Model organizmaların DNA dizilerinin ortaya çıkması ve haritalanması. – Araştırıcılara bu organizmadaki gen yapısının ve fonksiyonunun anlamısını ve diğer türlerle karşılaştırmalı analiz yapmalarını sağlar. Genomik ve Biyoinformatik Biyoteknolojide Yeni Alanlar • Taş Devri Genomiks (paleogenomics) – Fosil DNA çalışmaları Teşekkürler !!!! 96