Biyoteknoloji | Nedir,Amacı,Tarihi | Biyoloji Bilgileri |

Biyoteknoloji Nedir,Biyoteknolojinin AmacıAmaçları Nelerdir,Canlı varlıkların ve bunludan elde edilen biyolojik araçların (mikroorganizmalar, enzimler, hücreler), sistemlerin ve süreçlerin biyokimyasal özelliklerinden yararlanan tekniklerin tümü. (Biyoteknoloji, hayvansal ve bitkisel hücrelerin kendi aralarında bölünmelerinden türeyen mikroorganizmaların etki güçlerinin sanayi araştırmasıdır.)

Biyoteknolojinin Tarihsel Gelişimi

Biyoteknoloji yeni bir terim olmasına karşın, uygulaması insanlık tarihi kadar eskidir.

İnsanlar, ekmek pişirirken, şarap, bira, peynir ya da yoğurt yaparken biyoteknolojiden yararlanmıştır.

XX. yy’ın başlarında, kimya sanayisinin gelişmesi ve buna koşut olarak organik boya üretiminin başlaması, organik kökenli çözücülere gereksinimi artırdı; alkollü içki sanayisinde ulaşılan teknolojik birikim fermantasyon yoluyla büyük çapta solvent etanol üretimini olanaklı kıldı.

Tarihte ortaya çıkan büyük krizler biyoteknolojinin gelişmesine ve sanayisel ölçekte uygulanmasına yol açtı: Birinci Dünya Savaşı’nda ortaya çıkan aseton açığı, asetonun mikrobiyal yöntemle üretilmesiyle karşılandı.

1920lerde bulunan penisilin, ancak 1940larda, savaşın doğurduğu baskılar sonucu yaygın biçimde üretilmeye başlandı.

1933’te bütün canlı sistemlerinde kalıtım mekanizmasının temelini oluşturan DNA molekülünün yapısı açığa çıkanldı.

1970 li yılların başında yaşanan petrol krizi, bilim adamlarını fosil kaynaklar (petrol, kömür, doğal gaz) yerine şeker, selüloz, nişasta ya da kimi yenebilir hammadde kaynaklarına yöneltti.

Bu genel eğilim de, biyoteknolojiye büyük bir ivme kazandırdı.

1973’te ABD li iki bilim adamı (Boyar ve Cohen) bir kurbağa hücresinden belirli bir özellik taşıyan bir geni ayırarak bunu mikrobiyal bir hücreye aktarmayı başardı.

Ertesi yıl bir mikro organizmanın, kurbağaya ait geni, kendi geniymişçesine işleme soktuğu saptandı.

Böylece genetik mühendisliği teknikleri doğdu.

Genetik mühendisliği, özünde biyolojik süreçlerin moleküler düzeydeki dizaynına dayanır; herhangi bir hücreden gelen herhangi bir geni, bir başka organizmanın genlerinin arasına yerleştirmeyle, o organizmanın özellikleri istenilen yönde etkilenebilir.

Bir biyosüreçte, bir yanda biyodönüşümü gerçekleştirecek olan biyolojik araçlar, öbür yanda dönüşüm sırasında kullanılacak hammadde bulunur; biyokatalizörün etkin olabilmesi için fiziksel, kimyasal ve biyolojik ortam hazırlanır; ardından, biyokatalizör ve hammaddeler, biyolojik tepkimenin yer alacağı biyoreaktöre verilir.

Tepkime sonucu elde edilen karışım, ürünün cinsine ve özelliklerine göre bir dizi ayrıştırma ve anlaştırma işlemlerinden geçilir,

Biyosüreçlerin, alışılmış kimyasal yöntemlere göre kimi üstünlükleri vardır: Daha ucuz ve kolay bulunan şeker, odun, organik artık, vb. yenilebilir hammadde kaynakları kullanıldığı için fosil hammadde kaynaklarına (petrol, kömür, doğal gaz) bağımlılığı azaltır, çok ılımlı sıcaklık ve basınç koşullan altında gerçekleştiğinden, düşük üretim {maliyeti,yüksek verimlilik sağar..

Kimyasal sentez yöntemiyle üretilmesine olanaklı bulunmayan kimi ürünlerin (penisilin, interferon, insülin vb.) elde edilmesini olanaklı kılar; daha az tehlike yaratır ve daha az çevre kirlenmesine yol açar.

Ancak, bu üstünlüklerine karşın, ileri düzeyde karmaşık ayrıştırma ve anlaştırma işlemleri gerektiren ürün karışımları elde edilmesi, sulu ortamlarda seyrettik çözeltilerle çalışılıp düşük konsantrasyonlarla ürün elde edilmesi ve buna koşut olarak çok miktarda sıvıyla çalışılması, sistemin yabancı mikro organizmalar tarafından kirlenmeye aşırı duyarlılığı ve biyolojik sistemlerin doğasında var olan değişkenlik gibi sakıncalı yönleri vardır.

Biyosüreçlerde, etkin olan biyokatalizörler arasında sanayisel olarak en önemli yeri mikroorganizmalar tutar.

Mikroorganizmalar, büyümeleri ve üremeleri sırasında, karmaşık biyokimyasal maddeler salgılar.

Bir mikrobiyal süreçte, temel olarak enerji, karbon, azot ve minerallere gereksinim vardır.

Enerji ve karbon gereksinimini karşılayan kaynak, genelde, bir organik bileşiktir.

Yükseltgendiğinde enerji açığa çıkar ve yeni hücrelerin oluşmasını sağlayacak karbon elde edilir.

Açığa çıkan enerjinin bir bölümü kimyasal sentez tepkimelerinde kullanılırken öbür bölümü, ısı enerjisi biçiminde ortama verilir ya da mekanik ve osmotik işe dönüşür.

Mikrobiyal metabolizma, bir enzim tarafından katalizlenen bir tepkime durumundadır; birbirine bağlı bir dizi tepkime halkaları ve hücre içinde farklı yerlere dağılmış metabolik izler olarak düşünülür.

Tepkimeler zinciri, enzimlerin üretimini ayarlayarak, etkinliklerini hızlandırarak ya da durdurarak mikroorganizmalar tarafından denetlenir.

Biyoteknolojide amaç, toplam metabolizmanın bir bölümünü, belli bir biyokimyasal dönüşümü gerçekleştirmek için kullanmaktır.

Bu da amaca göre saptanan mikroorganizma türünün yaşayabilmesi için gerekli olan maddelerin, ortama eklenmesiyle gerçekleştirilir.

Tepkime karışımına, uygun kimi kimyasal maddelerin eklenmesi ya da genetik malzemeye müdahale yoluyla öngörülen dönüşümü gerçekleştirecek enzimlerin, miktarı ve etkinliği artırılır ya da durdurulur.

Önceleri biyokatalizör olarak daha çok canlı hücrelerin kendileri kullanılıyordu; bugün ise canlı hücrelerin kendileri yerine, bunlardan elde edilen enzimlerin kullanılması yaygınlaşmıştır.

Laboratuvar koşullarında izole edilen 1300’den çok enzim vardır.

Bunlardan 25 kadarı sanayisel ölçekte üretilmekte ve yaygın olarak besin sanayisinde (ekmek yapımında, bira, şarap, şurup ve hazır yiyecek üretiminde, süt ve süt ürünleri sanayisinde, et yumuşatmada, meyve ve sebze işlemede, şekerlemeyi önlemede, vb.), tıpta (tamda yardımcı madde olarak), ilaç sanayisinde (yara tedavisinde, test kağıdı üretiminde, sindirime yardımcı ve reaktif madde olarak, vb.), tekstil sanayisinde (haşıl maddesi olarak) ve temizlikte kullanılır.

Enzimler, fermantasyon, indüksiyon gibi klasik yöntemlerle ya da son zamanlarda uygulamaya giren ve mikroorganizmalara istenilen enzimi aşırı miktarda salgılatmaya dayanan modem genetik mühendisliği yöntemleriyle üretilir. Hücreler, enzimleri ya hücre içine ya da hücre dışına salgılar.

Hücre tarafından dışarıya salgılanan enzimlerin yalıtılması ve arılaştınlması, hücre içi enzimlerden daha kolaydır. Ancak son yıllarda, glukoz oksidaz, penisilin açilaz gibi kimi hücre içi enzimlerin de sanayisel düzeyde üretimine başlanmıştır.

Genel olarak, bir enzimin reaktörde sanayisel ölçekte üretilmesi kolaydır.

Yüksek verime temel engel, katalizör görevi yapan süreçlerin ürünlerden ayrılmalarının çok güç olmasıdır.

Bu güçlüğe yol açan neden, anlaştırılmış enzimlerin, çözünebilirlikleri yüksek moleküllerden oluşmasıdır, öbür süreç ürünlerinden ayırma aşamasında enzim etkinliğinde yüzde 50’ye varan yitimler olur.

Bu olumsuzluğu ortadan kaldırmak için enzimleri bir dayanak maddesine kimi yöntemlerle bağlayarak hareketsiz kılmak (immobilize etmek) gerekir.

Hareketsiz (immobilize) enzimlerin ilk sanayi uygulaması 1969’da Japonlar tarafından gerçekleştirildi.

Böylece kimi enzimlerin üretim masrafı yüzde 40 oranında düşürülmüş oldu.

Ekonomik yarar, bu alandaki çalışmaları hızlandırdı.

1980 li yılların ikinci yansında, ABD ve Japonya başta olmak üzere gelişmiş kimi ülkelerce, dört değişik immobilize enzimin üretimi sanayisel uygulamaya alındı; sekiz immobilize. enzimin üretimi ise laboratuvar koşullarında gerçekleştirildi.

Bir canlının anne ve babasından aldığı kalıtsal yetenek ve özelliklerin tümü, onun genetik yapısını oluşturur.

Bir canlının gen haritasını çıkarabilirsek, o canlıda bulunan istenmeyen özellikleri gen haritasından çıkartabilmemiz ya da istediğimiz kimi özellikleri bir başka canlıdan alıp, ona aktarabilmemiz olanaklı olur.

Bu tekniğin, bilinen iyileştirme tekniklerinden farkı, olayın denk gelişlere ya da engelleyici diğer etkenlere bağlı olmamasıdır.

Günümüzde, biyoteknolojinin en çarpıcı sonuçlar verdiği sektör tarımdır.

1980 li yıllarla birlikte, tarıma girdi oluşturan kimyasal ilaç ve gübrelerin yarattığı çevre sorunlarına bağlı olarak, bütünüyle doğal etmenler yardımıyla ürün elde etmeye dayalı “organik tarıma” doğru bir yönelme başladı.

Bu eğilim, genetik mühendisliği uygulamalarının tarımda ağırlık kazanmasına yol açtı: Kimi bitkilerde hastalıklara dayanıklılık artırıldı, bitki hormonları yardımıyla verim artışı sağlandı, tuz ve ısı tolerans çizgileri genişletildi; daha yüksek doz ve kalitede besin maddesi depolayan bitkilerin üretilmesi sağlandı.

Mikrobiyal insektisitler, fungisitler, pesüsitler gibi ilaçlarla zararlılar kontrol altına alındı; fotosentezi ve olgunlaşmayı etkileyen büyüme hormonları ve gübreler üretildi; topraksız sulu besi ortamlarında uygun sıcaklık ve nem denetimi üe bitki yetiştirme (su kültürü) teknikleri geliştirildi.

Günümüze kadar en başarılı uygulamalar mısır, domates, patates, patlıcan, tütün, biber gibi tarla bitkilerinde gerçekleştirildi.

Örneğin Meksika’da yetişen, kuraklığa dayanıklı ancak verimi düşük mısır bitkisinden kuraklığa dayanıklılık geni alınarak, Amerika’da yetişen verimli, ancak kuraklığa dayanıksız bir başka mısır bitkisine aktarıldı ve hem verimli, hem de kuraklığa dayanıldı bir mısır bitkisi elde edildi.

Bir toprak bakterisi olan Bacillus thuringiensis ait bir genin, mısır zararlısı bir tırtıl türünü öldürebilecek protein ürettiği saptandı.

Bacillus thuringiensis’ten bu gen alınıp, mısır bitkisinde yaşayan endofite (bitkilerde yaşayan zararsız bakteri) aktarıldı.

Bitkiyle birlikte endofiti de yiyen zararlı tırtılın öldüğü gözlendi.

Sonraki yıllarda bu genden birçok tarım ilacı üretilerek uygulamaya alındı.

Biyoteknoloji, tarımın bir altdalı durumundaki hayvancılıkta da başarılı biçimde uygulanmaktadır.

Hayvanlarda istenilen özelliklerin sağlanması kapsamında hastalıklara dayanıklılık artırıldı ve yemlerin hayvan ürünlerine dönüşümü hızlandırıldı.

Beslenmeye etkili protein, antibiyotik ve enzimler üretildi; yaygın hastalıkları önleyici aşılar geliştirildi.

Trasgenik hayvanlar elde edilmesi, bu alanda bir devrim niteliğindedir: Bu tür, doğada birbirleri ile eşleşemeyecek durumda bulunan üyeler arasında gen aktarımı yapılarak geliştirildi.

Trasgenik hayvan çalışmalarına, yem veriminin yükseltilmesi, yağsız et elde edilmesi, hastalıklara dayanıklı ve süt ile birlikte belirli ilaç ve hormonları da yüksek dozlarda üretebilen hayvanlar geliştirmek amacıyla başlandı, örneğin, süt üretimi üzerine etkili Bovin somatotropin hormonunu üreten gen, genetik mühendisliği teknikleri kullanılarak inek hücresinden alındı ve bir bakteriye yerleştirildi.

Mikroorganizmaların yaşam çevrimleri ve metabolizmaları, yüksek canlılara göre daha hızlı olduğundan, bakteri yüksek miktarda Bovin somatotropin hormonu üretti.

Bu hormon ineklere enjekte edilerek, süt üretimi yüzde 15-20 oranında artınidı.

Yine benzer çalışmalarla yüzde 30 daha yüksek yem verimine sahip, etleri yüzde 2-3 yağ içeren transgenik domuzlar elde edildi.

Biyoteknoloji ve Tıp

Tıp alanında, özellikle cücelik, kalp hastalıkları, kanser, kimi virütik ve genetik hastalıklar, vb.’ye karşı önemli adımlar atıldı: Rekombinant DNA tekniği ile insan insülini üretildi (1978) ve hayvan insülininin alerjik komplikasyonlarından kurtulundu.

Yine, r-DNA teknikleri kullanılarak üretimi olanaklı duruma gelen insan büyüme hormonu sayesinde cüceliğe ve stres, yanık, kanser gibi nedenlerle ortaya çıkan büyümenin engellendiği durumlara çare bulundu: r-DNA teknikleriyle doku plazminojen aktivatörü (TPA) denilen bir maddenin üretilmesi sonucu kan pıhtılaşması engellenerek, kalp krizi önlenebildi.

Günümüzde çok sayıda bilim adamı, biyoteknoloji yardımıyla kanseri yenebilme savaşı vermektedir.

Hücre klonlaması teknikleriyle bir organizmanın kendi hücrelerini öldürücü duruma getirme (kendi hücrelerinden kanserli hücreler oluşturma) etkeni belirlendi.

Kanseri tedaviye dayanıldı kılan temel özdük metastaz yapmasıdır (kanserli hücrenin, organizmanın başka yerlerine yayılması); bu aşamada etkin olarak kullanılan kemoterapi (kimyasal tedavi ya da ilaç tedavisi), kanserli hücrelerle birlikte sağlıklı hücreleri de zehirlediğinden, birçok yan etkilere ve bağışıklık bozukluklarına yol açar.

Bilim adamları, bu olumsuzluğu ortadan kaldırmak için biyoteknolojiden yararlanma yoluna gittiler.

Tamda ve tahlilde, hastanın kendisi tarafından kullanılabilecek testler ile tedavi amacıyla bedene verilen etkin maddeleri yalnızca hasta organlara yönlendiren, sağlıklı hücrelerin etkilenmesini engelleyen ajanlar geliştirildi.

Biyoteknolojide bu gelişme 1970lerin ortalarında gerçekleşti: Aşılanmış bir fareden alınan antikor üretim hücreleri, faredeki tümör oluşturan hücrelerle birleştirilerek kanser hücreleri gibi hızla bölünebilen antikor hücreleri (Hibridomalar) elde edildi.

Sürekli olarak antikor üreten bu hücreler, hasta hücreleri tanıyabildiklerinden, kanserin ya da kimi başka hastalıkların erken tanısında büyük rol oynar.

Günümüz biyoteknoloji uzmanları, farklı türden öldürücü kanser hücrelerine karşı radyoaktiviteyle ya da çeşitli zehirlerle donanmış antikorlar geliştirme çabası içindedir.

Kanser ile savaşta etkin olan bir başka yöntem de, organizmanın kendi doğal koruma mekanizmasını harekete geçirmedir.

Yapılan araştırmalar, bedende virüslere karşı üretilen interferon adlı maddenin, bu konuda etkin olduğunu göstermiştir.

Biyoteknolojinin tıptaki en önemli katkılarından biri de aşılardır: Klonlama teknikleriyle üretilen bu aşılar, yan ürünlerinden bütünüyle arındınlmış durumdadır.

Bol ve ucuz olarak elde edilebilmekte ve hiçbir yan etkiye yol açmamaktadırlar.

Yapay deri, organ ve protezlerin üretimi de biyoteknolojinin tıptaki gelişmeleri arasındadır.

Columbia Üniversitesinde, poröz nitelik taşımayan polietilenden bir yama içinde insülin ve geçirgenlik artırıcı bir madde içeren bir sistem yardımıyla insülinin, deriden bedene gerektiği miktarlarda, gerektiği zaman denetimli bir biçimde geçebildiği bir sistem geliştirilmiştir.

Bunun yanı sıra, göz ameliyatlarında, yanıklarda, ortopedik ve oftalmik tedavide kullanılan hiyaluronikasit, bugüne kadar yalnızca horoz ibiklerinden üretiliyordu.

Altı aylık horozların ibiklerinden 5 kg’ın işlenmesiyle sadece 4 gr saf hiyaluronik asit elde edilebiliyordu.

Bir firma, deride, beden sıvılarında ve göbek kordonunda bulunan bu asidi, mikrobiyal olarak büyük çapta sentezlemeyi başardı.

Yeni ilaçların üretilmesi, artık, etkin doğal maddelerin bulunmasından çok, yapay yoldan laboratuvar koşullarında sentezine dayanır.

Organizmanın tüm fizyolojik olaylarından reseptör (alıcı) adı verilen moleküller sorumludur.

Hücrelerdeki reseptör proteinlerin ve öbür hücresel ürünlerin oluşumunu düzenler, hücrelerin büyümesini, devinimlerini ve biçimlerini kontrol altında tutar, hücre geçirgenliğini denetler.

Antikorlar, etkinliklerini, bu reseptör moleküllere bağlanarak gösterir.

Bedene giren ve hastalık etkeni olan hücrelerdeki reseptörleri fark eden antikorlar, onlara bağlanarak yabancı hücreleri etkisiz duruma getirir.

Bu reseptör moleküller, hücrelerin şifresi durumundadır; bir antikorun bu türden bir reseptöre bağlanabilmesi için şifreyi çözebilecek bir molekül yapışma sahip olması gerekir.

Yeni biyoteknolojik yöntemlerle özellikle protein mühendisliği teknikleriyle ilgili reseptör molekül seçilerek molekül yapısı belirlenmekte ve ona uygun şifre, bilgisayar yardımıyla dizayn edilebilmektedir.

Bu şifrenin moleküler yapısı kesinleştikten sonra da kimyasal yollarla sentezlenmektedir.

Biyoteknoloji ve Madencilik

Biyoteknolojinin diğer bir uygulama alanı madencilik sektörüdür: Mineraller ve madenler de, fosil yakıtlar gibi sonlu ve yinelenemeyen özellikler taşır.

Nüfusun artmasına koşut olarak dünyadaki maden rezervleri her geçen gün biraz daha azalmaktadır.

Soruna bir çözüm olarak, daha karmaşık mineral yapısına sahip yataklar da işletmeye açılmaktadır.

Bakteriokimyasal özütleme, düşük kapsamlı ve karmaşık yapılı maden filizlerinin işlenebilir duruma getirilmesi için bir alternatif oluşturur.

Filizlerden, mikroorganizmaların ya da onların metabolitlerinin normal basınç ve sıcaklık altındaki etkileri sonucu, mineraller çıkarılabilir.

Bu yöntem birçok ülkede yaygın olarak kullanılmaktadır.

Metal sülfürlerin mikrobiyolojik özütlenmesi, mikroorganizmalarla katalizlenen bir biyokimyasal yükseltgenme işlemidir.

İşlem üç evreden oluşur: biyolojik evre (mikroorganizmalar), sulu evre (ortamdaki besinler) ve katı mineral evresi.

Hidrometalurjide, sanayisel atık sulardan metallerin yemden kazanılmasında mikrobiyal yöntemlerden yararlanılır.

Yöntemin özü, mikroorganizmaların metalleri çöktürme ve soğurma-yüzde tutma özelliklerinden yararlanmaya dayanır.

Mikroorganizmalar ve yosunlar kullanılarak seyreltik çözeltilerden kurşun, cıva, çinko, bakır, nikel kobalt, mangan, krom, uranyum, altın, gümüş ve platin yüzde 96-100 arası geri kazanılabilmektedir.

Atık suların arıtılmasında biyoteknoloji yeni ufuklar açmıştır: Temel biyoloji ve biyokimya mühendisliği uygulamalarıyla (karışık kültürler, anaerobik fermantasyonlar, mikrobiyal yumak oluşumu, landfill teknikleri) var olan sistemler geliştirildi.

Ağır metalleri ve toksik maddeleri saptayabilecek yeni elektrotlar devreye sokuldu; yeni genetik mühendisliği teknikleriyle elde edilen mikroorganizmaların kullanılmasıyla da var olan tesislerin verimliliği artırıldı.

Seçilmiş kimi toksik atıklar arıtıldı; kum üzerinde immobilize edilmiş hücreler, akışkanlaştırılmış yatak reaktörleri gibi yeni katalizörler ve yeni reaktör tasarımları geliştirildi ve atıklardan protein, yağ, metan, metal gibi yararlı ürünlerin geri kazanılması sağlandı.

Uzay biyoteknolojileri Uzayda üretilen ve şişesi 400 dolardan satılan çapı 5-10 mikrometre olan lateks mikrobilleri, şeker hastalarını aşılamada kullanılan beta pankreas hücreleri, amfizemleri iyileştirmeye yarayan “çok saf” alfa-1 antitripsin, kan tahlilinde kullanılan yeni yöntemler, göz hareketlerini ölçmek için kinesigraf gibi aygıt, ilaç ve yöntemler sanayicileri insanın uzaydaki fizyolojisinden sonra uzay biyoteknolojisiyle ilgilenmeye yöneltti.

Uzaydaki sanayi üretimlerinde deneme aşamasında üç çeşit biyoteknoloji vardır: kromatografi, elelrtroforez ve kristalizasyon.

Elektroforez ilkesi bir elektrik alanı içinde moleküllerin ya da hücrelerin yer değiştirmesi olarak tanımlanır ve farklı elektrik yükleri taşıyan molekül ya da hücrelerin ayrılmasında çok sık olarak kullanılır.

Kromatografi ise mikrogravite olarak özel çaba isteyen arındırma işlemlerine yardım eder.

Proteinlerin kristalleşmesinin tıp açısından yararı bu moleküllerin yapısını inceleme olanağı verir ve ilaçların çok seri bir biçimde sentezini elde etme olanağı sağlar.

Bununla birlikte çok büyük moleküller olan proteinler çok zor kristalleşir; bu olay Profesör Littke de Fribourg tarafından yönetilen bir programa göre Spacelab l’in 1983 te gerçekleştirdiği ilk deneylerde büyük bir önem kazandı ve Spacelab 2’nin uçuşu sırasında bu deney üç proteinin kristalleşmesini sağladı.