BİYOTEKNOLOJİNİN TANIMI TARİHÇESİ VE UYGULAMA ALANLARI

1. Bölüm Öğr. Gör. Dr. Halil Tosun BİYOTEKNOLOJİNİN TANIMI TARİHÇESİ VE UYGULAMA ALANLARI Biyoteknoloji: Mikroorganizma, hücre veya doku kültürlerinden veya mikrobiyal metabolitlerden, mikrobiyoloji, biyokimya ve mühendislik bilimlerinin kullanılarak değerli ürünlerin elde edildiği interdisipliner bir bilim dalıdır. Biyoteknoloji mikroorganizma, enzim ve bunların sistemlerinin üretim ve hizmet sektörlerinde kullanılması olarak tanımlanmaktadır. Gelişmiş ve gelişmekte olan ülkelerde giderek büyük önem taşıyan “Biyoteknoloji” alanındaki araştırma ve eğitim çalışmaları ulusal ve uluslararası örgütlerce desteklenmekte; bazı ülkelerde bu alanda yapılan büyük yatırımlarla bu ülkeler dünya liderliğine soyunmaktadır. Türkiye’de de Devlet Planlama Teşkilatı tarafından Biyoteknoloji 2000’li yılların bilimi ve anahtar endüstri olarak ilan edilmiş ve önümüzdeki yıllarda biyoteknoloji sektöründe diğer sektörlere göre çok daha fazla gelişme beklendiği kaydedilmiştir. Biyoteknoloji çok disiplinli ve geniş kapsamlı bir bilim dalıdır. Bu nedenle disiplinler arası ortak çalışmalar önem taşımaktadır. Biyoteknolojinin birçok alanda, gerek sanayi boyutunda, gerekse bilimsel boyutta çok geniş uygulama alanları bulunmaktadır. Eski çağlardan beri bilinen klasik alkollü içkiler vb. üretimlerinden, günümüzde teknolojik gelişmelerin ışığında yeni ve spesifik ürünlerin üretimine kadar birçok alanda kullanıldığı gıda sanayi, biyoteknolojinin en önemli uygulama alanlarından birisini oluşturmaktadır. Biyoteknoloji tarihsel gelişim süreci göz önüne alındığında iki kategoriye ayrılır. Geleneksel biyoteknoloji ve Modern biyoteknoloji. 1 Geleneksel biyoteknoloji : Biyolojik sistemler (genellikle bakteri, maya, mantar) hiçbir modifikasyona uğramadan aynen kullanılır. Ekmek, peynir, alkol, çeşitli alkollü içkiler, sirke, yoğurt gibi maddelerin üretilmesinde kullanılır. “Fermantasyon teknolojisi” kapsamaktadır. ağırlıklı olup buna yönelik üretimi Modern Biyoteknoloji ise genetik mühendisliği tekniklerinin kullanılarak biyolojik sistemlerin modifikasyona uğratıldığı (mutasyon ve rekombinant DNA teknolojisi) ve kan proteinleri, insan kanı serumu, insan hormonları, insülin, biyoteknolojik aşılar gibi yararlı ürünlerin eldesine olanak veren bir alandır. Günümüzde her iki alanda kullanılmaktadır. Biyoteknolojik işlemlerin büyük çoğunluğu substratın mikroorganizma hücreleri tarafından ürüne dönüştürülmesini içerir. Bununla birlikte hedeflenen ürün bazen mikroorganizma hücresinin kendisi bazen de mikrobiyal bir metabolit olabilir. Ayrıca substrattan hedeflenen ürünün eldesinde mikrooganizmanın kendisi kullanılabileceği gibi serbest veya immobilize enzimler kullanılarak ta ürün elde etmek mümkündür. Bu süreçte biyoteknolojik işlemler aşağıdaki uygulamaları kapsar: • Uygun ürünün belirlenmesi • Belirlenen ürün için uygun mikroorganizma suşlarının belirlenmesi • Mikroorganizma ile ilgili izolasyon, saflaştırma, mutasyon işlemleri ile yüksek verim elde edilecek mikroorganizma suşlarının seçilmesi • Hammadde içeriğinin formüle edilmesi • İşlemin gerçekleşeceği biyoreaktörlerin dizaynı • Biyoreaktör işlemlerinin optimizasyonu • Elde edilecek ürünün yüksek verimle geri kazanılmasını sağlayacak izolasyon ve saflaştırma yöntemlerinin saptanması, geliştirilmesi ve optimize edilmesi • Elde edilen ürünün kalite kontrolü, paketlenmesi ve tüketiciye sunulması 2 BİYOTEKNOLOJİNİN TARİHÇESİ Biyoteknolojinin tarihçesi Çizelge 1.1.’de özetlenmiştir. • Ekmek mayalanması M.Ö. 3000 • Alkolik mayalanma M.Ö. 3000 • Sirke yapımının öğrenilmesi M.Ö. 3000 • Mezopotamyada şarap üretimi M.Ö. 2000 • Sümerler , Babiller ve Mısırlılar Tarafından Bira üretimi M. Ö.300 • Etanol üretimi 1150 • Sirke üretimi (endüstriyel) 14,yy • Kültür mantarı üretimi 1650 • Mikrobiyal yoldan süt asidi üretimi 1881 • Alexander Fleming petri kaplarında bir parça küfle çevrelenmiş bölümde tüm bakterilerin öldüğünü keşfetti. Böylece penisilin dönemi başladı. Fakat 15 yıl sonra tıbbi kullanım için uygun duruma geldi. • 1928 Proteinler ve DNA çeşitli laboratuvarlarda çalışılmaya başlandı. “Moleküler biyoloji” terimi gündeme girdi. 1938 • Bir gen bir enzim hipotezi ortaya atıldı 1941 • Rockefeller vakfı Meksika hükümeti ile işbirliği yaparak Meksika Tarım Programı başlatıldı. Bu yabancı yardımıyla yapılan ilk bitki ıslahı çalışması • olarak biyoteknoloji tarihinde yerini aldı. 1943 Kortizon büyük ölçekte üretilen ilk ürün 1953 3 1953 – 1976 • DNA ile yapılan yaygın çalışmalar • Genetik mühendisliği ile geliştirilmiş insan insulinin bakteri tarafından • üretilmesi • Böcek, bakteri ve virüslere dirençli bitkilerin toprakta yetiştirilmesi çalışmaları 1982 1985 1986 • İlk rekombinant aşı (sarılık, Hepatit B) • İlk genetiği değiştirilmiş hayvan olarak meme kanseri çalışmalarında kullanılan fare için patent alınması 1988 • İlk başarılı gen terapi çalışmasının yapılması 1990 • İlk genetik mühendisliği ile geliştirilmiş domatesin dünya gıda örgütü tarafından • kabulü 1994 Biyosensörlerin kullanılması 1996 • Doly’nin yapılması 1997 • Ebriyonik kök hücre üretimi 1998 • Deli dana hastalığı için hızlı ve hassas tanı sisteminin geliştirilmesi 1999 Yukarıda verilen tablodan anlaşıldığı gibi biyoteknoloji 1940’lı yıllara kadar mikroorganizmaların hiçbir modifikasyona uğratılmadan aynen kullanıldığı bir döneme sahiptir. Bu dönemde biyoteknoloji bilimi ekmek, peynir, alkol, çeşitli alkollü içkiler, sirke, yoğurt ve yerel fermente ürünlerin eldesi ile ilgili idi. Bu dönem fermantasyon teknolojisi ağırlıklıdır. Geleneksel biyoteknoloji olarak ta adlandırılır. 1940-1975 yılları ise biyoteknolojik uygulamaların endüstriyel anlamda genişlediği bir dönemdir. Antibiyotiklerin keşfi, virüs aşılarının üretimi, enzimlerin üretimi, protein, karbonhidrat, organik asitler, alkol vb. üretimi, biyogaz üretimi vs. Bu dönemde de mikroorganizmalar üzerinde ve bunların genomlarında köklü değişiklikler yapılmadığı 4 için bugünkü anlamda kullanılan biyoteknolojik uygulamaları pek kapsamamaktadır. Bu nedenle bu dönemde fermentasyon teknolojisine dayanmaktadır. 1975’li yıllardan günümüze geldiğimizde ise gelişmiş ve modern tekniklerin biyolojik sistemlere uygulandığını görmekteyiz. Bu dönemde rekombinant DNA teknolojisi ile mikroorganizmalardan yararlı ürünler elde edilmiştir. Genetik mühendisliği ve moleküler genetik bilgilerinin biyoteknolojiye uygulanması ile insan insülini, hayvan aşıları, büyüme hormonları üretimi mümkün olmuştur. Bu döneme Modern biyoteknoloji denmektedir. BİYOTEKNOLOJİNİN BAŞLICA UYGULAMA ALANLARI ¬ Biyosüreç Teknolojisi – Alkollü içeceklerin üretimi – Antibiyotik üretimi – Memeli hücre kültürleri – Yeni ürünlerin üretimi (Ör: Polisakkaritler) – İlaç üretimi – Organik çözücü üretimi (Ör:Aseton, butanol) – Protein bakımından zenginleştirilmiş gıdaların üretimi – Üretim kapasitesi artışı için fermantasyon tasarımı optimizasyonu ¬ Enzim Teknolojisi ¬ – Özgün kimyasal reaksiyonlar için kullanımları – Enzim immobilizasyonu (tutuklanması) – Yarı sentetik penisilin üretiminde – Nişasta ve selüloz hidrolizinde – Biyolojik analizler için sensörlerin oluşturulmasında Atık Teknolojisi 5 – Atıkların yeniden kullanılabilmesi – Atıklardan yeni ürünlerin üretilmesi (Ör: alkol) ¬ Çevre Teknolojisi – Kirliliğin kontrolü – Atık toksinlerin uzaklaştırılması – Düşük dereceli madenlerden ve madencilik endüstrisi atıklarından metallerin geri kazanılması ¬ Yenilenebilen Kaynaklar Teknolojisi – Kimyasal ham madde ve etanol, metan ve hidrojen üretimi için lignosellülozik materyalin yenilenebilen enerji kaynağı olarak kullanılması – Bitki ve hayvan materyalinin tamamının kullanılması ¬ Ziraat ve Hayvancılık • Besin değeri yüksek, hastalığa dirençli, strese toleranslı kalitede ve verimde genetik mühendisliği ile yüksek geliştirilmiş bitkilerin oluşturulması • Hayvancılıkta ürün artırımını sağlamak ¬ Sağlık – Yeni ilaçların oluşturulması – İlaçların sadece hastalıklı bölgeye ulaşmasının sağlanması – Hastalık tanılarının geliştirilmesi – Aşıların geliştirilmesi – İnsan genomunun anlaşılması – Gen tedavisi 6 Bu sınıflandırma ürün bazında tasnif edilirse biyoteknoloji şu alt dallara ayrılır. ¬ Farmasotik Biyoteknoloji: İmmunomodülatörler, büyüme hormonları, kan proteinleri, antibiyotikler, antikanser ajanları, aşılar, gen terapisi. ¬ Çevre Biyoteknolojisi: Biyolojik su arıtma sistemleri, biyoremidasyon, biyodegredable polimerler ¬ Tarımsal Biyoteknolojisi: Genetiği değiştirilmiş organizmalar, biyoinsektisidler, biyotoksinler ¬ Biyoelektronik: Biyoçip ve biyosensörler ¬ Kimyasal Biyoteknoloji: Endüstriyel enzimler, organik asitler, amino asitler Kaynaklar: ¬ Biyoteknoloji I: Ayşegül Topal Sarıkaya. İstanbul Üniversitesi. Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü. ¬ Biyoteknoloji: Azmi Telefoncu. Ege Üniversitesi Basımevi. Bornova, İzmir. 1995 ¬ Basic Biotechnology. John Bu’lock, Bjorn Kritiansen. Academic Press. Orlano, Florida. 1987. ¬ Biomolecular Engineering, Hyun Gyu Park Lecture Note 1. Introduction to molecular biotechnology,Ch1. The molecular biotechnology evolution 7