Biyoloji`deki Teknolojik Gelişmeler ve Önceliklerimiz

Biyoloji'deki Teknolojik Gelişmeler ve
Önceliklerimiz
Prof.Dr. Feray KÖÇKAR,
Balıkesir Üniversitesi, Fen-Edebiyat
Fakültesi Biyoloji Bölümü
fkockar@balikesir.edu.tr
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