Kimya Biyoteknoloji B İYOTEKNOLOJ İ I Ay şegül TOPAL SARIKAYAB İYOTEKNOLOJ İ NED İR? Biyolojik araç, sistem ve süreçlerin üretim ve hizmet endüstrilerine uygulanması Endüstriyel uygulamalarda ba şarılı olabilmek için Biyokimya, Mikrobiyoloji ve Mühendislik bilimlerinin ortak kullanımı ile mikroorganizmaların, doku ve hücre kültürlerinin kapasitelerinin artırılması Çe şitli yararlı maddelerin üretilmesi için biyolojik özellikleri kullanan bir teknoloji olması Biyolojik araçlar tarafından üretilen materyallerin daha iyi ürün ve hizmet vermek üzere bilim ve mühendislik ilkelerinin uygulanması Biyoteknoloji sadece teknik ve süreçlerin toplamına verilen bir addır. Biyoteknoloji canlı organizmaları ve onların yapıta şlarını tarım, gıda ve di ğer endüstrilerde kullanan bir tekniktir.B İYOTEKNOLOJ İN İN BA ŞLICA UYGULAMA ALANLARI • Biyosüreç Teknolojisi – Alkollü içeceklerin üretimi – Antibiyotik üretimi – Memeli hücre kültürleri – Yeni ürünleri üretimi (Ör: Polisakkaritler) – İlaç üretimi – Organik çözücü üretimi (Ör:Aseton, butanol) – Protein bakımından zenginle ştirilmi ş gıdaların üretimi – Üretim kapasitesi artı şı için fermentasyon tasarımı optimizasyonu • Enzim Teknolojisi – Özgün kimyasal reaksiyonlar için kullanımları – Enzim immobilizasyonu (tutuklanması) – Yarı sentetik penisilin üretiminde – Ni şasta ve sellüloz hidrolizinde – Biyolojik analizler için sensörlerin olu şturulmasındaB İYOTEKNOLOJ İN İN BA ŞLICA UYGULAMA ALANLARI Atık Teknolojisi – Atıkların yeniden kullanılabilmesi – Atıklardan yeni ürünlerin üretilmesi (Ör: alkol) Çevre Teknolojisi – Kirlili ğin kontrolü – Atık toksinlerin uzakla ştırılması – Dü şük 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 kayna ğı olarak kullanılması – Bitki ve hayvan materyalinin tamamının kullanılmasıB İYOTEKNOLOJ İN İN BA ŞLICA UYGULAMA ALANLARI Ziraat ve Hayvancılık Besin de ğeri yüksek, hastalı ğa dirençli, strese toleranslı yüksek kalitede ve verimde genetik mühendisli ği ile geli ştirilmi ş bitkilerin olu şturulması Hayvancılıkta ürün artırımını sa ğlamak Sa ğlık – Yeni ilaçların olu şturulması – İlaçların sadece hastalıklı bölgeye ula şmasının sa ğlanması – Hastalık tanılarının geli ştirilmesi – A şıların geli ştirilmesi – İnsan genomunun anla şılması – Gen tedavisiB İYOTEKNOLOJİİ LE İL İŞK İL İ SEKTÖRLER İN SINIFLANDIRILMASI Terapötikler –H a s t a l ıkların kontrolünde ve tedavisinde kullanılan farmasötik ürünleri üretimi – Antibiyotik üretimi –A şı üretimi – Gen tedavisi ile ilgili ürünlerin üretimi Tanı kitleri –G ıda, çevre ve ziraatta kullanılan tanı ve saptama kitlerin üretemi Gıda –Ç e şitli gıda ürünleri, koruyucular, içecekler ve çe şitli katkı maddelerinin üretimi • Çevre –A r ıtım, Zararlı maddelerin yararlı hale dönü şümü, enerji üretimini sa ğlayan şirketler • Kimyasal ara ürünler – Enzimler, DNA, RNA, özgün kimyasalları üreten şirketler • Teçhizat – Tüm makine donanımı, biyoreaktörler, "software" ve biyoteknolojiyi destekleyen tüm tüketim maddelerini üreten şirketler• Biyoteknoloji konu olarak “multidisipliner” yani ba ğımsız pek çok bilim dalını birarada barındırır. •E ğer biyoteknoloji çalı şması yapanları bir liste altında toplamak gerekirse Biyokimyacılar, Mikrobiyologlar,Genetikçiler, Moleküler biyologlar, Hücre biyologları, Botanikçiler, Ziraat mühendisleri, Virologlar, Analitik kimyacılar, Biyokimya mühendisleri, Kimya mühendisleri, Kontrol mühendisleri, Elektronik mühendisleri ve Bilgisayar mühendisleri bu liste içerisinde sayılabilir. •A y r ıca bu liste olu şturulan yeni bir tekni ğin pazarlanmasında sorumlu olan ekonomistler, yöneticiler ve finans i şi ilgili olan elemanlarda katılarak geni şletilebilir.Biyoteknolojinin Tarihsel Evrimi • İlk defa, 1919 yılında, Karl Ereky tarafından kullanılan Biyoteknoloji teriminin o zamanki tanımı, anlamı ve kapsamı, günümüze kadar geli şen modern tekniklerin bu alana uygulanması ile, önemli ölçüde de ği şikliklere u ğramı ştır. • Karl Ereky, biyoteknolojiyi ‘Biyoteknolojik Sistemler Yardımıyla Hammaddelerin Yeni Ürünlere Dönü ştürüldü ğüi şlemlerdir’ şeklinde tanımlamı ştır. •B u t a n ım, o zamanki geleneksel biyoteknolojik uygulamalara çok benzemekte idi. Çünkü, o yıllarda biyoteknolojik sistemler herhangi bir de ği şikli ğe u ğratılmadan kullanılmaktaydı. Bunun ba şlıca nedeni, teknolojinin geli şmemi ş olmasıydı.Son 15-20 yıl, biyoteknolojik geli şmelerin altın ça ğı olarak kabul edilmekte, biyoloji, kimya, fizik, biyokimya, mikrobiyoloji ve di ğer bilim dallarındaki yeni bulu şlarla bu yeni alan desteklenmi ş ve insano ğlunun hayallerinin sınırladı ğı noktaya kadar adım adım gerçekle şmi ştir. Ortaya konan her yeni bulu ş veya teknik, diğer bir uygulamaya, ileriye dönük olarak, büyük katkıda bulunmu ş, onun temel ve itici gücünü olu şturmu ş ve yeni ufukların açılmasına ve yeni problemlerin ortaya çıkmasını yol açmı ştır. Dünyada giderek artan sayıda ülke, biyoteknolojik ara ştırmalarda ve buna ba ğlı olarak olu şturulan yeni ürünlerin kullanıma çıkarılmasında, bu yönden öncelik kazanarak biyoteknoloji pazarına hakim olmada birbirleriyle yarı ş haline girmi ş bulunmaktadır. Bu alanda büyük aktivite gösteren birçok büyük firma kurulmu ş ve çok büyük yatırım yapılmı ştır. Kısa bir gelecekte biyoteknolojik ürünlerin, aynen mikroelektronik malzemeler gibi, geli şmi ş ülkelerin ticarî bir silahı haline gelece ği çok açıktır. Biyoteknoloji tarihinde önemli bazı olaylar • MÖ 6000 – Mayalar ilk kez Sümerler tarafından bira yapımında kullanıldılar • MÖ 4000 Mısırlılar maya kullanarak ekmek yapımını ke şfettiler• üzüm kültürü yapımı (Gürcistan),• 1673 – Anton van Leeuwenhoek (1632 - 1723),Protozoa ve bakterilerin fermentasyonda rol oynayabilece ğini açıklayan ilk bilim adamı • 1856 Louis Pasteur Louis Pasteur (1822 -1895) mikroorganizmaların fermentasyondan sorumlu olduklarını kesin bir şekilde tanımladı• 1928 – Alexander Fleming petri kaplarında bir parça küfle çevrelenmi ş bölümde tüm bakterilerin öldü ğünü ke şfetti. Böylece penisilin dönemi ba şladı. Fakat 15 yıl sonra tıbbi kullanım için uygun duruma geldi. • 1938 – Proteinler ve DNA çe şitli laboratuvarlarda çalı şılmaya ba şlandı. “Moleküler biyoloji” terimi gündeme girdi. 1941 Bir gen bir enzim hipotezi ortaya atıldı• 1943 • Rockefeller vakfı Meksika hükümeti ile i şbirli ği yaparak Meksika Tarım Programı ba şlatıldı. Bu yabancı yardımıyla yapılan ilk bitki ıslahı çalı şması olarak biyoteknoloji tarihinde yerini aldı. • 1953 • Kotrizon büyük ölçekte üretilen ilk ürün • 1953 – 1976 • DNA ile yapılan yaygın çalı şmalar• 1977 - Günümüz: • Genetik Mühendisli ği çalı şmalarının ba şlaması. • Genentech Genentech, Inc., tarafından somatostatin (insan büyüme hormonu) bakteriye klonlandı. • 1978 • 1978’de Herbert Boyer San Francisco California Üniversitesi laboratuvarında rekombinant insulin genini E. coli içerisine aktarmayı ba şardı.• 1980 • PATENT alınımına izin verilmesi • ABD yüksek Mahkemesinin petrol yiyen bakteri için patent vermesi • Kary Mullis ve arkada şları tarafından PCR yönteminin ke şfedilmesi. • 1982 • Genetik mühendisli ği ile geli ştirilmi ş insan insulinin bakteri tarafından üretilmesi • 1985 • Böcek, bakteri ve viruslara dirençli bitkilerin toprakta yeti ştirilmesi çalı şmaları • 1986 • İlk rekombinant a şı (sarılık, Hepatit B) • 1988 • İlk geneti ği de ği ştirilmi ş hayavan olarak meme kanseri çalı şmalarında kullanılan fare için patent alınması • 1990 • İlk ba şarılı gen terapi çalı şmasının yapılması • 1994 • İlk genetik mühendisli ği ile geli ştirilmi ş domatesin dünya gıda örgütü tarafından kabulü• 1996 • Biyosensörlerin kullanılması • 1997 • Doly’nin yapılması • 1998 • Ebriyonik kök hücre üretimi • 1999 • Deli dana hastalı ğı için hızlı ve hassas tanı sisteminin geli ştirilmesi • 2001: • 200,000 çalı şan, devlete ait $30 milyar gelir, toplam 1450 şirket 350’si kamu şirketi • 1992: 80,000 çalı şan, $8.1 milyar devlete ait gelir. Yakla şık aynı sayıda şirket• Tarihsel evrime göre biyoteknoloji üç temel döneme ayrılmaktadır. Bunlar da, – 1) Geleneksel Biyoteknoloji: Karl Ereky’nin tanımladı ğı biyoteknoloji kapsamında, biyolojik sistemler (genellikle bakteri, maya, mantar) hiçbir modifikasyona u ğramadan aynen kullanılmaktaydı. Aslında, bu tarihlere ait bilgi ve teknoloji de genetik düzeyde de ği şiklikler yapabilecek durumda de ğildi. Yakla şık 20 yıl kadar devam eden bu dönemde biyolojik sistemler, ekmek, peynir, alkol, çe şitli alkollü içkiler, sirke, yo ğurt gibi maddelerin üretilmesinde fazlaca kullanılmı ştır. Bu nedenle de bu periyot, ‘Fermantasyon teknolojisi’ a ğırlıklı olup buna yönelik üretimi kapsamaktadır. 2) Ara Dönem: 1940-1975 yılları arasını kapsayan bu dönemde, biyolojik sistemlerin endüstride kullanım alanları geni şletilmi ş ve bazı küçük tekniklerin ilavesiyle de üretim geli ştirilmi ş ve artırılmı ştır. Bu ara periyot içerisinde antibiyotik, enzim, protein, karbonhidrat, organik asitler, alkol vb. maddeler fazlaca üretilmi ştir. Bu dönemde, geleneksel biyoteknoloji gibi biyoteknolojik sistemler ve özellikle de bunların genomlarında köklü de ği şiklikler yapılmadı ğı için, bugünkü anlamda kullanılan biyoteknolojik uygulamaları pek kapsamamaktadır. Bu nedenlerle de, bu ara periyot ta birincisi gibi fermantasyon teknolojisine dayanmaktadır. 3) Modern Biyoteknoloji: Geli şmi ş ve modern tekniklerin biyolojik sistemlere uygulandı ğı bu dönem oldukça ileri bir karakter ta şımaktadır. Mutasyonlar veya Rekombinant DNA teknolojisi yardımıyla oluşturulan yeni fenotipik karakter ta şıyan Mutantlar veya Transgenik organizmalar, endüstride ve di ğer alanlarda (mikrobiyoloji, biyoloji, biyokimya, insan ve hayvan sa ğlı ğı, hayvan ıslahı, ziraat, çevre vb.) çok fazla kullanılmaya ba şlanmı ştır. Bu geli şmelere paralel olarak, biyoteknolojinin tanımında da de ği şiklikler yapılmı ştır. 1982 yılında OECD’nin raporunda belirtilen tanıma göre biyoteknoloji ‘Temel Bilimlerin ve Mühendislik İlkelerinin, Ham Maddelerin Biyolojik Araçlar Yardımı ile Ürünlere Dönü ştürüldü ğü Süreçlere Uygulandı ğı Bir Teknoloji’dir şeklindedir. Bu tarif içine her ne kadar açık olarak belirtilmesede, genetik düzeydeki manipulasyonların da içinde bulundu ğu ‘Moleküler Genetik ve Rekombinant DNA teknolojisi’ de yer almaktadır. Modern Biyoteknoloji Bu teknikler yardımıyla organizmanın ya şamı için gerekli bütün bilgilerin toplandı ğı ve kodlandı ğı genom kitaplı ğının = bankalarının kurulması, olu şan bankalardan arzu edilen genin izolasyonunun ve nükleotid dizisinin saptanması ve bu dizilerde de ği şiklikler yapılması veya ba şka organizmalara aktarılması, gen regülasyonunun saptanması, hibrit hücreler elde edilmesi mümkündür. Bu teknikler yardımıyla biyoteknolojik a şılar, proteinler, enzimler, antibiyotikler, hormonlar, sitokininler, monoklonal antikorlar, te şhis koruma ve tedavi ara ştırmalarında kullanılan diagnostik maddelerin ve kimyasalların üretilmesi gerçekle ştirilmektedir. Bu yöntemler ile, do ğal ko şulları altında ancak yüz binlerce yıl içinde meydana gelebilecek mutasyonları, in vitro olarak kısa sürede olu şturmak mümkün olmaktadır.Neden böyle bir teknoloji (Rekombinant DNA Teknolojisi) geli şimine ihtiyaç duyulmu ştur? Neden arzu edilen ürün orijinal kayna ğından izole edilmez? Bunun 4 önemli nedeni vardır. 1) Genellikle bazı belli tipteki hücreleri büyük ölçekte üetmek güçtür. Örne ğin memeli hücrelerini özellikle insan kaynaklı olanları üretmek oldukça zordur. Üremeleri yava ştır. Mikroorganizmaları üretebilmek için kullanılan basit yöntemler bu tip hücreler için kullanılamaz. 2) Do ğal kaynakların kullanımı sınırlıdır. 3) Do ğal kaynaklardan izole edilen bir ürünün kontaminasyon riski ta şıması 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 olasılı ğını ortaya çıkarır. 4) MaliyetBu teknolojinin do ğmasına bir başka nedende tamamen yeni bir ürünün üretilme iste ğidir. Örne ğin endüstride biyokatalizör olarak kullanılan enzimler sınırlı özelliklere sahiptir. Bu özellikler özel spesifite, katalitik aktivite ve stabilitedir. Enzimi kodlayan gende yapılan modifikasyonlarla enzimin yapısı ve di ğer özellikleri avantaj yönünde de ği ştirilerek konak organizmaya sokulur ve yeni bir süper enzim elde edilebilir. Ekonomik açıdan önemli bitkilerin de genomlarının de ği ştirilmesi biyoteknolojinin di ğer bir önemli konusudur. Tahıllara atmosferden azotun fikse edilmesi özelli ğinin kazandırılması sadece gübre kullanılmamasını sa ğlayan maliyet azalmasının yanısıra gübre kullanımı ile kirlenen tarladan ya ğmur suları ile do ğal su kaynaklarının kirlenmesi de önlenebilir. Ancak uzun yılardan beri yapılan bu çalı şmalar azot fiksasyonunun regülasyon mekanizmasında çok sayıda genin etkili olması nedeniyle azot fiksasyonunun tahıllar tarafından yapılması henüz ba şarılamamı ştır. Bundan ba şka tohumlardaki depo proteinlerinin miktarları artırılabilir veya herbisitlere dirençli bitkiler geli ştirilebilir. Ayrıca çe şitli hastalıklara dirençli, donmaya dayanıklı bitkiler geli ştirilebilir.Biyoteknolojinin Üretim Süreci • Ticari de ğere sahip bir ürünün mikroorganizmalar kullanarak yapılan üretimi sırasında endüstriyel biyoteknoloji süreci genellikle 3 temel a şamaya ayrılır. – “Upstream processing”: Hedef mikroorganizma için besin kayna ğı olarak kullanılabilecek ham maddenin hazırlanması – Fermentasyon ve transformasyon: Büyük bir reaktör (100 litreden büyük) içinde antibiyotik, amino asit, enzim gibi arzu edilen ürünün olu şumu (biyodönü şüm) ile sonuçlanan hedef mikroorganizmanın ço ğalması – “Downstream processing”: Arzu edilen ürünün hücre kütlesinden veya besi ortamından ayrılarak safla ştırılması Ham madde “Upstream processing” : Fermentasyon ve biyodönü şüm Downstream processing Saf ürün• Mikroorganizmalarla yapılan biyoteknolojik süreçlerin ço ğu genel olarak; Süreç Müh. Substrat + Mikroorganizma ÜRÜN şeklinde özetlenebilir. Süreç mühendisli ği üretim i şlemleri (fermentasyon) ve bu i şlemler sonucunda olu şan ürünün geri kazanılması ile ilgili yöntemlerin saptanması, geli ştirilmesi ve optimize edilmesini içeren çalı şmaları kapsar.• Ürün hücre biyoması, hücrenin bir metaboliti ya da ba şlangıç materyalinin transformasyonu sonucu olu şan bir madde olabilir. Bazı durumlarda üretimde canlı organizma yerine mikroorganizmaların ürettikleri enzimler kullanılabilir. Bu durumda; Süreç Mühendisli ği Substrat + Enzim ÜRÜN • şeklinde bir e şitlik söz konusudur.• Süreç geli ştirilmesinden önce arzu edilen ürünün saptanması gerekir. • Genelde yabani su şlar bu ürünü az olu şturduklarından ürün saptama yöntemleri duyarlı olmalıdır. • Süreç geli ştirilmesinde çe şitli yöntemler kullanılabilir. Fakat üretimde amaç yalnız bir veya birkaç yöntemi kullanmaktır. Üretim için gerekli olan substrat, toplam imalat fiyatının yakla şık %50 sini kapsadı ğından mümkünse besiyeri ucuz ham madde içermeli fakat üretimin artırılması için gerekli olan spesifik katkı maddeleri unutulmamalıdır.• Fermentasyon sonucunda olu şan ürünün yüksek verimde geri kazanılması di ğer bir önemli konudur. •E ğer ürün hücre biyokütlesi ( "biomass" ) ise olu şan hücreler sürekli toplanır ve fermentasyon devam eder. • Ürün hücre içinde kalabilece ği gibi salgılama yetene ğinde olan hücreler tarafından da üreme ortamına salınabilir. • Hücrenin parçalanması, ekstraksiyon ve safla ştırma i şlemleri sonucunda minimum kayıp ile ürünün geri kazanılması sa ğlanır.• Biyoteknolojik süreçlerin en son a şaması elde edilen ürünün kalite kontrolü yapıldıktan sonra paketlenmesi ve tüketiciye bozulmadan sunulmasıdır. Biyoteknolojide Biyolojik SistemlerBiyolojik Sistemler •B a k t e r i •M a n t a r • Böcek •B i t k i • Memeli hücre hatları • Böcek, bitki ve memeli virusları • Çok hücreli organizmalar (bitki, balık, fare ve evcil hayvanlarProkaryotlar Bakteriler ve Cyanobacteria (mavi-ye şil bakteriler) Bakteriler, toprak, hava, su, hayvan ve bitki yüzeylerinde bulunurlar. Bazıları hastalık etkeni olmakla beraber ço ğu zararsız ve organik atıkların geri dönü şümü sırasındaki yararlı etkileri ve birçok faydalı ürünü üretmeleri nedeniyle biyoteknolojide oldukça önemli bir yere sahiptirler.• 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 özelli ği gösterirler. Gram (+) Gram (-)Bakteri morfolojileri•A y n ı genusa ait bazı türler endüstriyel açıdan faydalı özelliklere sahipken bazıları insanlar için zararlıdır. Örneğin Bacillus türleri toprakta ya şarlar ve aerop veya fakültatif anaerop metabolizmaya sahiptirler. • B. subtilis endüstride kullanılan amilaz enziminin kayna ğıdır. • B. thruringiensis ise birçok bitki zararlısı böce ğin patojenidir. Ve bu nedenle böceklere dirençli bitkilerin olu şturulmasında genetik mühendisli ğinin önemli çalı şma konularından birini olu şturur. • B.athracis ise insanlara patojen etkiye sahiptir ve şarbon hastalı ğının nedenidir. Escherichia coli – Geneti ği, moleküler biyolojisi, biyokimyası, fizyolojisi ve genel biyolojisi son 50 yılda yapılan çalı şmalardan toplanan bilgilerle son derece iyi bilinen bir organizmadır. – Gram (-), patojen olmayan, çomak şeklinde, hareketli bir organizmadır. – Do ğal olarak insan barsa ğında bulunur, normal olarak toprak veya suda bulunmaz.– Çok basit besi ortamlarında kolaylıkla bölünerek ço ğalabilir – Generasyon süresi 37ºC’da logaritmik fazda yakla şık 22 dakikadır. – Aerobik ve anaerobik olarak üreyebilir (rekombinant –heterolog- protein üretiminde aerobik üreme) – Oksijen, üretimde en önemli sınırlayıcı faktördür. Prokaryotik Biyolojik Sistemler • E.coli dı şındaki di ğer prokaryotlar • Acremonium chrysogenum • Bacillus brevis • Basillus subtilis, Basillus thuringiensis • Corynebacterium glutamicum • Erwinia herbicola • Peudomonas spp • Rhizobium spp • Streptomyces spp • Trichoderma resei • Xanthomonas campestris • Zymomonas mobilis• Bu organizmalar iki grub altında toplanabilir – Özel bir fonksiyona sahip bir gen için konak olma • Ör: termofillerden izole edilen ve PCR teknolojisinde kullanılan ısıya dirençli DNA polimeraz enziminin E.coli’de klonlanması ve üretimin gerçekle şmesi Belirli i şleri çok daha etkin yapabilmek için genetik mühendisli ği ile geli ştirilme Ör: Endüstriyel açıdan önemli amino asitlerin çok fazla üretilmesi için Corynebacterium glutamicum’un çe şitli türlerinin geli ştirilmesi Cyanobacteria (mavi-ye şil bakteriler) •Ö r : Anabaena cylindris, Nostok muskorum, Spirulina platensis –M a v i - y e şil bakteriler prokaryotlar sınıfına dahil olup fotosentez özelli ğine sahiptir. – İlk kez varlıkları fosillerde saptanmı ştır. Dünya oluşumunda belki de ilk canlı organizmalardır. –T a t l ı ve tuzlu suların yüzeylerinde bulunurlar. Karada ise ı şı ğın ve nemin oldu ğu çamur ve kaya, tahta veya bazı canlı organizmaların yüzeylerinde bulunabilirler. – Koyu ye şilimsi-mavi pigmentlerinden dolayı bu isimle adlandırılırlar. Anabaena flamentleriCyanobakterilerin yapısı • Hücre duvarı yapı ve fonksiyon bakımından Gram(-) bakterilere benzer. • Fotosentetiktirler. Klorofil ve karotenoid pigmentler “lamella” adı verilen hücre yüzeyi membranında, fikosiyanin ve fikoeritrin gibi pigmentlerde fikobilisomlarda bulunur. • Fikobilisomlar tlakoid memmran yüzeyinde bulunurlar• Fikosiyanin Ye şil ı şı ğı absoblar (615-620A). • Allofikosiyanin Turuncu ı şı ğı absorblar (650- 670A) • Fikoeritrin Ye şil ı şı ğı absorblar (495-570Cyanobakterilerin yapısı • AZOT F İKSASYONU: Sadece birkaç organizma atmosferik azotu amonya ğa redüklemek yoluyla a.a. ve proteinleri üretmek üzere organik asitlere dönü ştürülebilir. • Azot fikse edebilen bakteriler gibi mavi-ye şil bakterilerde böyle bir yetene ğe sahiptir. • Hücreler nitrogenaz enzimi ile bu reaksiyonu gerçekle ştirirler. Bu enzim oksijen ile inaktive olur. Bu nedenle azot fikse eden hücrelerin içindeki ko şullar anaerobik olmalıdır. • Anabaena gibi bazı mavi-ye şil bakterler azot fiksasyonundan sorumlu heterosit adı verilen özel kalın duvarlı hücrelere sahiptirler. • Heterositler hücre duvarlarında bulunan özel bir por aracılı ğı ile vejatatif hücrelere ba ğlanırlar. Bu porlar ı şık mikroskobu ile görülebilirler. • Anabaena flamentleri şeker ve oksijen üreten fotosentetik hücrelerden olu şmu ştur. Birçok flamentli mavi-ye şil bakteri akinet veya spor diyebilece ğimiz olumsuz ko şullarda devamlılıktan sorumlu olan hücreler oluştururlar. Bu hücreler heterosit hücreye yakın olan vejatatif hücreler tarafından olu şturulur. Hücre boyutunda artı ş olur ve büyük miktarlarda besin depolanır. Gas vakuolleri kaybolur. Bunun sonucunda akinetler suyun dibinde yıllarca canlılıklarını koruyabilirler. Ko şullar uygun oldu ğunda tekrar hızla bölünerek ço ğalırlar.Mavi-yeşil bakterilerin biyoteknolojik önemi M-Y bakteriler fotosentez yetenekleri, yüksek protein içerikleri ve basit besiyerlerinde hızlı ço ğalmaları nedeniyle besin kayna ğı olarak kullanım alanına sahiptir.Tek hücre proteini (THP) elde edilmesinde en çok denenen günümüzde insan ve hayvanların beslenmesinde geni ş uygulama alanı olan mavi- ye şil bakteriler, di ğer mikroorganizmalardan farklı olarak yeterli miktarda karbondioksit, belirli derecede aydınlatma, geni ş üretim ortamı gibi özel ko şullara gereksinim gösterirler.Spirulana • Sprilulina platensis: Afrika ve güney Amerika’da ki sı ğ göllerde do ğal olarak bulunur. Binlerce yıldan beri yöredeki insanlar tarafından toplanan bu algler kurutulduktan sonra besin kayna ğı olarak ço ğunlukla sos şeklinde veya çorba içinde kullanılmaktadır. • Nostoc ise Peru ve Güney do ğu Asya ‘da besin maddesi olarak kullanılan bir di ğer M-Y bakteridir.GÜBRE OLARAK: Mavi-ye şil bakterilerin azot fiksasyon özelli ği saptandıktan sonra kurutulmu ş Tolypthrix tenuis pirinç tarlasına serpildi ğinde azot fiksasyonunda ve verimde artı ş gözlenmi ştir. M-Y bakterilerin Hindistan da pirinç tarlalarında gübre olarak kullanımıyla topra ğın havalandırılması sonucunda su geçi şi ve topra ğın sıcaklı ğının daha homojen olması sa ğlanmaktadır. Azot fiksasyonu için M-Y bakterilerin Rhizobium’ların yerini almasının bazı avantajları vardır. Mavi- Ye şil bakteriler havadaki azotu amonyuma redüklerken fotosentez metabolik yolunu kullanırlar. Yani bir bitki ile simbiyotik bir ya şam ve enerji kayna ğı olarak herhangi bir organik molekül ilavesi gerekmez. Tarımda azot fikse eden M-Y bakteriler organik gübre olarak kullanılabilir. Çin, Hindistan, Filipinler gibi pirinç tüketimi fazla olan bölgelerde büyük oranlarda ürerler. Pirincin büyüme sezonunun ba şında e ğer suya M-Y bakterilerin ba şlangıç kültürleri ekilirse pirinç veriminde %15-20 oranında artı ş oldu ğu bildirilmektedir. Mavi-yeşil bakterilerin biyoteknolojik önemi •A r a ştırmalar Mavi-Ye şil bakterilerin güne ş enerjisi dönü şüm sisteminde yer alması için devam etmektedir. Anabaena cylindrica heterocystleri vejatatif hücrelerde fotosentez yoluyla olu şturdukları oksijeni dı şarı verirler. Azot yoklu ğunda ise heterositlerde nitrogenaz enzimi katalizörlü ğünde elektronlar H+ iyonuna transfer edilerek Hidrojen gazı açı ğa çıkarırlar. Oksijen ve Hidrojen her ikisi de endüstride ihtiyaç duyulan fazlardır. B İYOLOJ İK OLARAK AKT İF MOLEKÜLLER İN ÜRET İM İ: •M a v i - Y e şil bakteriler antibiyotiklerin ve di ğer biyolojik olarak aktif moleküllerin ticari boyutlardaki üretimi için büyük bir potansiyel olu ştururlar. Çünkü Mavi-Ye şil bakteriler heterotroftur. Bu özellikleri de onların fermentasyon ko şullarında üretilmelerine olanak sa ğlar. Henüz ara ştırma a şamasında olan Anacystis nidulans ile yapılan rekombinant DNA teknolojisi çalı şmalarıyla nadir bile şiklerin üretiminde kullanımları amaçlanmaktadır. Sonuç olarak : • Fermentör ko şullarında üreyebilirler, uzun süreli fizyolojik stabiliteye, basit besin gereksinimine, köpük olu şturmama özelli ğine sahiptirler. Di ğer alglerden farklı olarak azot fiksasyonu yapabilme farklılı ğına sahiptirler. Optimum sıcaklık 35oC dir. Karanlıkta veya gün ı şı ğında heterotrofik olarak ürerler. Biyoteknolojide Biyolojik Sistemler MayalarMaya • Mayalar; – tek hücreli –Ö k a r y o t i k – Tomurcuklanarak veya bölünerek e şeysiz farklı e şem tipine sahip hücreleriyle e şeyli olarak ço ğalabilirler• Mayaların tanımlanması maya biyoteknolojisi için oldukça önemlidir. •Ö r n e ğin endüstriyel süreçlerde yabani ve kültüre edilmi ş mayalar arasındaki farkı gösterebilmek esastır. • Bira üretiminde üründe istenmeyen aroma olu şumuna neden olan yabani ırkın karı şması veya ekmek mayası üretiminde şeker transport yetene ği daha fazla olan Candida utilis mayasının karı şması ekmek mayası üretiminde kullanılan Saccharomyces cerevisiae mayasının üremesini engelleyecektir• Maya genuslarının ayrımında fizyolojik testlerle birlikte morfolojik testler de kullanılır. • Günümüzde 700 civarında maya türü tanımlanmı ştır. • Fakat bu sayı maya çe şitlili ğinde sadece çok küçük bir bölümü temsil etmektedir. •T a n ımlanmamı ş maya genus ve tür sayısı çok daha fazladır.• Maya biyologları için maya çe şitlili ğini tanımlamak kadar di ğer önemli bir nokta özellikle biyoteknolojik öneme sahip türleri belirleyip saklamak ve koruyabilmektir. • Moleküler biyoloji tekniklerinin yaklaşımıyla türler daha hızlı ve kolay bir şekilde karakterize edilebilmektedir. • Günümüzde 6 mayanın genom projesi tamamlanmı ş ve i şlevsel genomik çalı şmaları ile genlerin i şlevlerinin belirlenmesine devam edilmektedir.• Maya hücreleri klorofil içermez ve zorunlu olarak kemoorganotrofiktirler . • Üremek için organik karbona gerek duyarlar. • Karbon metabolizmaları çok çe şitlidir. Örne ğin basit şekerleri, polioller, organik ve ya ğ asitleri alifatik alkoller, hidrokarbonlar ve çe şitli heterosiklik ve polimerik bile şikleri karbon kayna ğı olarak kullanabilirler. • Bu özellikleri nedeniyle farklı habitatlar için özelle şmi ş türler kolaylıkla saptanabilir.• Mayalar toprak, hava ve sudan izole edilebilirler. Bazı mayalar ekstrem ortamlarda örne ğin ozmofilik mayalar şeker bakımından zengin ortamlarda ya şayabilirler. Bu tür mayalar genellikle gıda bozucu olarak bilinir. Bunun dı şında fırsatçı patojen olarak bazı maya türleride örne ğin Candida albicans pek çok infeksiyondan sorumludur. • Mayalar insanlar için; • ekonomik, •s o s y a l v e •s a ğlık açısından oldukça önemli en eski evcille ştirilmi ş organizmalardır. • Alkollü içeçeklerin üretiminde, ekmek yapımında hamurun kabarması için binlerce yıl öncesinden beri kullanılmaktadırlar. Gerçekte bira yapımı belkide dünyanın ilk biyoteknolojisini temsil etmektedir. • Günümüzde mayalar geleneksel gıda fermentasyonunun dı şında çok çe şitli alanlarda da kullanılmaktadır. • Özellikle genetik mühendisli ğiyle geli ştirilmi ş mayalar hastalıkların önlenmesinde ve tedavisinde kullanılan pek çok farmasötik ajanın üretilmesinde yaygın bir şekilde kullanılmaktadır.Biyoteknolojik Öneme Sahip Bazı Mayalar • Axula adeninivorans • Candida türleri • Nitrat ve aminleri asimile eder, 45 C üzerinde üreyebilir, pek çok hidrolaz salgılayabilir. • C.albicans hidrokarbonlardan aminopenisillanik asit ve B6 vitamin üretimi, C.boidinii NAD, FAD metil ketonlar ve sitrik asit üretimi, C.famata riboflavin, C.maltosa biyokütle proteini için ya ğ 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 fermentasyonuBiyoteknolojik Öneme Sahip Bazı Mayalar • Hansenula polymorpha • Kluyveromyces marxianus ve K.lactis • Pachysolen tannophilus • Heterolog gen anlatımı için kullanılabilen metilotrofik maya • Laktoz ve polyfruktosanı fermente eder. Do ğal kakao fermentayonu. Pek çok enzim için kaynak olabilir, klonlama teknolojisinde kullanılabilir. • Bitki lignoselülozik hidrolizatlarından kaynaklı pentoz şekerlerinin fermentasyonu Biyoteknolojik Öneme Sahip Bazı Mayalar • Phaffia rhodozyma ve Pichia türleri • Rhodosporidium toruloides •G ıda boyası olan astaksantin pigment üretimi. P.guilliermondii riboflavin sentezi ve hidrokarbonlardan biomas protein eldesi. P.methanolica etanol biosensörü olarak kullanılan alkol oksidaz üretimi.P.pastoris metanolden biomas protein eldesi, heterolog gen anlatımı ve insan terapötik proteinlerini üretebilen metilotrofik maya • Fenilketanüri tedavisinde kullanılan PAL enzim kayna ğıBiyoteknolojik Öneme Sahip Bazı Mayalar • Saccharomyces türleri • Saccharomycopsis türleri • Schizosaccharomyce pombe • S.cerevisiae klasik gıda fermentasyonu. Bira, şarap, ekmek, rom, cin yapımı. Yakıt, alkol, gliserol, invertaz ve hayvan besini kayna ğı.Rekombinant DNA teknolojisiyle sayısız protein üretimi. • S.fibuligera amilolitik maya. • Geleneksel Afrika alkollü bira yapımı. Şarapların deasidifikasyonu. Yüksek etanol ozmotik tolerans.. Biyokütle protein eldesi, eterolog gen anlatımı ve mutagenez testlerinde kullanım.• Schwanniomyces türleri • Trichosporon cutaneum • Yarrowia lipolytica • Zygosaccharomyces rouxii • S.castellii ve S.occidentalis amilolitik mayalar. Ni şastanın ve inülinin etanole çevrimi ve heterolog gen anlatımında kullanılabilirler. • Fenol varlı ğına ili şkin bisensor olarak kullanılır. • Lipid ve hidrokarbonlardan biomas protein eldesi. Sitrik asit ve hücredı şı enzim üretimi. • Japon soya sosu karakteristik aromasını vermede kullanılan halofilik ve ozmotolerant maya türü.• Endüstriyel mayaların ço ğu özellikle fermente içeçeklerin üretiminde kullanılanlar genetik bakımından karma şıktırlar ve stabil bir haploidi göstermezler. •Ö r n e ğin bira yapımında kullanılan Sacchoromyces türleri poliploid veya anöpliod (diploid-heptaploid) ırklardır. Bu nedenle geli ştirilmelerinde e şeyli üreme özelliklerinden yararlanılamaz. • Bunun yerine klasik bira tadını veren organoleptik özellikleri iyi olan karakteristik fermentasyon yapan ırklardan do ğal seçimle en iyi olan şeçilir. • Bunun dı şında endüstriyel mayaların geli ştirilmesinde şüphesiz genetik mühendisli ğinin önemi oldukça fazladır. • Rekombinant DNA teknolojisi ile geli ştirilen rekombinant mayalar tarafından üretilen biyolojik olarak aktif rekombinanat proteinlerin veriminin arttırılmasında iki önemli yaklaşım vardır: – moleküler genetik tekniklerin kullanımı – fermentasyon teknolojisi. Gıda Tüzü ğüne Uygun, Genetik Olarak De ği ştirilmi ş Mayalar Maya • Ekmek Mayası • Bira Mayası Tanımlama • Glukoz baskısından kaçınmak ve hamurla şmayı önlemek için maltoz kullanım genleri de ği ştirilmi ş. • Maltodekstrinleri kısmi olarak parçalayan STA2 genini içeren plazmidi ta şır.Alkollü içeçeklerin üretiminde mayalar • Alkollü içeçeklerin üretimi tarih olarak çok eskidir. Günümüzde maya fermentasyonu pek çok ülkenin ekonomisi için oldukça önemlidir. • Bira üretimi bilinen en eski biyoteknolojik süreçtir. Bira dı şında şarap distillenmi ş içecekler “cider”, “sake” ve çe şitli likörlerBazı alkollü İçeceklerin Üretim Özeti Bira Viski Şarap Likör ve di ğer içkiler Hammadde Arpa, yardımcı maddeler Arpa, buğday vb. Üzüm Arpa, mısır, melas, üzüm vb. Ön uygulama Malt olu şturma, ezme Malt olu şturma, ezme Parçalama, yumu şatma Substrata ba ğlı olarak de ği şir Fermentas yon S.cerevisiae, S.carlsbergen sis S.cerevisiae S.cerevisiae S.cerevisiae, K.marxianus Damıtma Hayır Evet Hayır Evet Olgunla şma Haftalarca Yıllarca Yıllarca De ği şken Son alkol oranı (% v/v) 3-6 40-45 8-12 35-45Biyoalkol üretimi • Etanolün yenilenebilir kaynaklardan mayalar kullanarak üretilmesi tüm dünyanın ilgisini çeken konulardan biridir. • İlk üretim 1930’larda ba şlamıştır fakat petrol fiyatları dü şürülünce teknoloji bırakılmıştır. • 1970’deki petrol krizi ile birlikte yeniden gündeme gelmi ştir. •B r a z i l y a şeker kamışını ve melası substrat olarak kullanarak üretti ği petrolü yakıt amaçlı kullanmaktadır. Brazilya’da otomobillerin ço ğu alkol veya alkol+benzin karışımı (gasohol) ile çalışmaktadır. • Genetik mühendisli ği ile geli ştirilmi ş mayaların lignoselülozik (odunsu) atıkları substrat olarak kullanarak etanol üretmeleri yönünde yo ğun çalı şmalar yapılmaktadır. •E t a n o l d ı şında mayaların üretti ği diğer biyoalkoller –g l i s e r o l ( alkollü içecekler için aroma katıcı, nitrogliserin türevli patlatıcılar yapımında), –k s i l i t o l ( şeker yerine diyabetik ürünlerin yapımında), – sorbitol, arabinitol (dü şük şeker içerikli gıdaların yapımında; ilaçların kaplanmasında yenilebilir kaplama maddesi olarak)Lignoselülozik Materyallerden Etanol Üretimi Lignoselülozik Materyal Ön Hidroliz Hidroliz Heksozca Zengin Fermentasyon Damıtma Etanol Pentozca Zengin Fermentasyon LigninYakıt Amaçlı Etanol Üreten Mayalarda İstenen Özellikler Genel Özellik Fermentasyon Üreme Örnekler Hızlı fermentasyon, yüksek oranda etanol üretimi. Yüksek etanol toleransı. Fermentasyon için optimum yüksek sıcaklık ve dü şük pH. Substratların etkin kullanımı. Küçük ölçekte fermentasyon metabolitleri. (Gliserol, esterler vb.) Hızlı maya üretimi. Yüksek oranda canlılı ğı sürdürme. Çe şitli etkenlere kar şı tolerans. (Yüksek şeker ve toksik kimyasallar) Genetik kararlılık. Bakteri kontaminasyonuna direnç. Fermentasyon sırasında en az ısı üretimi. Maya biyokütlesi türevli ürünler •E k m e k m a y a s ı olarak S.cerevisiae yılda milyonlarca ton üretimektedir. •B u n u n d ı şında; – hayvan yemlerine katkı olarak tek hücre proteini şeklinde, – biyosorbent olarak a ğır metal temizli ğinde, –g ıda renklendirilmesinde pigmentli mayalar, – insan ve hayvanlar için probiyotik olarak (büyüme faktörü/biyofarmasötik amaçlı) maya biyokütlesi kullanılmaktadır. Maya Biyokütlesinin Endüstriyel Kullanımları Maya Ürün Tipi Kullanım Örnekleri Tüm Hücre Ürünleri Sıkı ş tırılmı ş Ekmek Mayası /Aktif Kuru Maya Maya Kr emi Tek Hücre Proteini Büyüme Faktörü Reaktant mayalar Bi osorbent mayal arı Mineral mayaları Kozmetik mayaları Boyar madde mayaları Bi yol oji k kontrol mayal arı Kirlilik kontrolü maya ları Ekmek,bira, ş arap ve damıtma Ekmek ve damıtma Hayvan besini İnsan ve hayvan probi yoti ğ i Organik kimyada kullanılan biyokatalistler A ğır metal arıtımı Besinsel iz element kayna ğı Deri sol unum faktörü Gıda boyaları Ziraatte antifungal ajan BOD indirgeyicileri Özütlenmi ş Hücre Ürünleri Maya özütleri Maya R NA tür evl er i Hücre maya duvarı Maya-B vitamini kompleksleri Maya enz iml eri Reko mb inant mayalar Besin ku llan ımı ve mikrobi yol oj ik besi yeri Aroma kuvvetlendiricileri ve farmasötik kullanım Yiyecek ve farmasötik kullanım Kapsüller ve besinsel destek tabletleri Yiyeceklerde invertaz ve laktaz kullanımı Terapöti k protei nl erS.cerevisae Dı şındaki Maya Biyokütlesinin Biyoteknolojik Kullanımı Maya Kluyveromyces marxianus ve K.lactis C.utilis Phaffia rhodozyma Saccharomyces boulardii Pichia pastoris ve H. Polymoroha Yarrowia lipolytica ve C. paraffinica Rhodotorula glutinis,Lipomyces lipofer,Cryptococcus curvatus ve Candida türleri Biyomas Kullanımı Hayvan besini. Laktaz kayna ğı Tek Hücre Proteini Karoten pigmenti Bioterapötik ajan THP ve metanolden rek proteinler Alkanlardan Tek Hücre Proteini eldesi Ucuz karbon kaynaklarından Tek Hücre Ya ğı EldesiTüm Hücre Maya Kitlesinin Yeni Kulanım Alanları Uygulama Çiftlik Hayvanları Üreme Faktörü Yorum Gevi şgetirenlerde hayvan büyümesini ve süt verimini arttırmak için i şkembe bölgesini stabilize eden S.cerevisiae kullanılır. Mayalar i şkembede oksijensiz ortam sa ğlayarak oksidadif hasarı engeller. İşkembedeki yararlı bakterilerin üremesini, malik asit gibi maddeleri üreterek sa ğlarlar.Biyoterapötik ajan Kimyasal Reaktant Besin pigmenti S.cerevisia anti akne ajanı ve menstrüasyon öncesi a ğrı gideriminde, S.boilardii bazı ince barsak hastalıklarına kar şı koruyucu ajan olarak ve anti Candida ajanı olarak da kullanılır. Organik kimyacılar S.cerevisiae’yi bazı kimyasal maddelerin modifiye edilmesinde kullanırlar. Bu reaksiyonların bazıları endüstride rutin kullanım alanı bulmu ştur. Phaffia rhodozyma bazı deniz mahsüllerinde renklendirici olarak kullanılan pigmentler üretir. Biyokontrol ajanı Biyoremediyasyon ajanları Biyosensör Biyoelektriksel yakıt hücresi S.cerevisiae tahıl ürünlerinde fitoalleksin elisitörü olarak kullanılır. Birkaç maya türü fungal meyve hastalıklarının biyokontrolünde kullanılır. Bazı mayalar endüstriyel atıklardan Ag, U, Co, Cu,Cd gibi a ğır metalleri temizler. Organik atıklardan karbon ve nitrojenleri uzakla ştırır. Herbisit gibi zararlı toksikleri etkisizle ştirir. S.cerevisiae ortam kirlili ği test etmede biyosensör olarak kullanılabilir. Elektron üreten maya destekli yakıt hücreleri ve maya temelli yarı iletkenlerMaya Kökenli Enzimlerin Kullanımı Substrat Enzim Ni şasta ?-Amilaz, glukoamilaz Sukroz İnvertaz İnülin İnülinaz Uygulamalar Ni şasta atıklarının dönü şümüyle bioetanol ve biomas üretimi. Dü şük karbohidratlı bira yapımı. Maya invertazının tekstil endüstrisinde sukroz hidrolizinde kullanımı.Çikolata yapımında inert şeker eldesi Kluyveromyces türleri, etanol ve yüksek fruktozlu şurupların eldesinde, polifruktan ve levanların hidrolizinde etkili inülinaz enzim kayna ğıdır.Laktoz Laktaz Ya ğlar Lipaz Selüloz Yarı selüloz Selülaz vb. Kluyveromyces türleri sütteki laktozun parçalanmasında ve günlük atıklardan etanol ve biyomas protein eldesinde kullanılan laktaz kayna ğıdır.Laktaz yiyecek i şlemede de kullnaılır. Kluyveromyces’teki ilgili genler S.cerevisiae’de klonlanmı ştır. Hazım kolayla ştırıcı,tat modifiye edici eldesinde ve ya ğların esterifikasyonunda trigliseritlerden serbest ya ğ asidi ve gliserol sa ğlanmasında lipazların kullanımı. Sellobioz’un fermentesinde bazı mantarlar, ksilanların parçalanmasında bazı mayalar kullanılır. Kimi genler S.cerevisiae’de klonlanmı ştır ve yenilenebilir biokütledenbioetanol üretiminde kullanılmaktadır.Mayaların Biyomedikal Alanlarda Kullanımı • onkoloji, • farmakoloji, • toksikjoloji, • viroloji • insan genetik hastalıkları için model organizma olmaları çok önemlidir.2001 Nobel Tıp ve Fizyoloji Ödülü Maya hücre bölünmesinin kontrolu ve kanser • Leland H. Hartwell • R. Timothy Hunt • Paul M. NurseMayalara Klonlanmı ş Bazı Terapötik Protein Örnekleri DNA Kayna ğı Prokaryotik Viral Protozoal Hayvan İnsan Gen Ürünü Örnekleri Tetanoz toksin fragment C; Herpes,Hepatit,Onkogenik vb. bazı virüslerden yüzey antijeni ve enzim kodlayan genler. Malarya antijeni Sülükten hirudin,engerekten ekhistatin,tav şan ?-globin,sı ğır ve fare interlökini vb. İnsülin,paratiroid hormon, somatostatin, büyüme hormonu, i şlevsel antijenler ve IgE faktörü, insülin benzeri büyüme faktörü, tümör nekroz ve sinir büyüme faktörleri, interferonlar, hemoglobin, faktör 8 ve11, albumin, fibrinojen, Superoksit dismutaz, ?-amilaz, gastrik lipaz vb.. • Maya genomik ve poroteomik çalı şmalarının tamamlanmasıyla pek çok insan genetik hastalı ğının tanısının konması ve tedavisi yakın bir gelecekte gerçekle şecektir. Maya Endüstrisinde “killer”Öldürücü Faktörler • Endüstriyel mayaların bazılarında virusa benzeyen çift iplikli RNA’lar tarafından sentezlenen toksik bir molekül (proteinaceous), bu moleküle sahip olmayan mayalar için öldürücü etki gösterir. • Bu faktörlerin varlı ğı özellikle biracılık endüstrisinde çok büyük sıkıntılara neden olmu ştur. • Öldürücü maya su şları bira olu şumunu tamamen durdurmakta ve biraya kötü bir tat kazandırmaktadırlar. • Fermentasyon sektöründe steril olmayan tip açık fermantasyon yapıldı ğı için arzu edilmeyen maya türleri sisteme girebilmekte fermantasyon verimini ve ürün kalitesini bozmaktadır. • Özellikle killer plazmid ta şıyan maya türlerinin sisteme girmesi durumunda killer toksinine hassas ba şlangıç kültürü zarar görmekte, önemli ölçüde verim kaybına ve ürün kalitesinin dü şmesine neden olabilmektedir. • Bu problemin en mantıklı çözümü ise yabancı organizmaların toksinlerine ba ğı şıklık kazanmı ş bir maya türü olu şturmaktır. • Arzu edilmeyen maya türleri tarafından ola şabilecek bir kontaminasyonu önlemek amacıyla moleküler biyoloji teknikleri kullanılarak killer plazmid içeren bir ekmek mayası kültürü geki ştirmek mümkündür.Küfler • Küfler hifli mantarlardır. Birçok organizma ve gıda maddesi ( ekmek, meyve, sebze.. vb) üzerinde olu şturdukları pamuk görüntüsündeki doku nedeniyle mayalardan çok daha önce ke şfedilmi şlerdir. • Küfler, endüstride bir çok ürünün eldesinde, atıklardan de ğerli ürünlerin olu şturulmasında kullanılan farklıla şma göstermeyen ve klorofil içermeyen mikroorganizmalardır. Do ğada ve toprakta yaygın olarak bulunan küflerden endüstriyel mikrobiyoloji alanında önem ta şıyanlar mikroskobik olanlardır. • Küflerin üredikleri ortama proteaz, lipaz, karbonanhidrazlar gibi litik enzimleri salgılamaları ve küflerin ürettikleri çe şitli metabolitlerin birçok alanda kullanılabilir olması bu organizmaların endüstrideki önemini oldukça artırmaktadır. •A y r ıca insan, hayvan ve bitkiler için patojen olan türleride bulunmaktadır. Küflerin Biyolojisi • Bir küf, protoplazma iplikleri veya uzantıları olan hiflerden ve sporlardan olu şur. • Hiflerin yaptı ğı yuma ğı misel adı verilir. Hifler, bölmeli hifler ve bölmesiz hifler olarak ikiye ayrılır. • Bölmeli hifler bölmeler ile hücrelere ayrılırlar ve her hücrede bir veya iki hücre çekirde ği bulunur. • Bölmesiz hiflere sönositik hif adı da verilir. • Bölme içermezler ve çok çekirdeklidirler. • Üreme hifleri genellikle koloninin yüzeyinde bulunan ve üreyen hücreleri veya sporları ta şıyan hiflerdir. • Hifsel üreme ortamın besin ko şulları ile yakından ilgilidir. • Beslenme hifleri ise koloniye besin sa ğlayan hiflerdir. Beslenme hifleri sayesinde hücrenin bulundu ğu noktadan uzakta olan substratlara ula şmaları sa ğlanır. • Küflerin hücre duvarı glukan, kitosan ve kitin gibi farklı glukoz polimerlerinden yapılabilir. • Birkaç örnekte hücre duvarının sadece kitinden olu ştu ğu bilinmektedir. Aynı zamanda hücre duvarı % 80 – 90 polisakkarit polimerleri de içerir. Geri kalan büyük bir kısmı ise protein ve lipidlerden olu şur. • Hifler uç hücrelerin geli şmesi sonucu apikal büyüme ile veya bölmeli hiflerde oldu ğu gibi apikal büyüme ve hifin herhangi bir bölümündeki hücrelerin bölünmesiyle geli şir ve uzarlar. KÜFLER İN YA ŞAM ÇEVR İM İ • Çok hücreli küflerin ya şam çevrimi e şeyli veya e şeysiz sporlarla olabilir. Çe şitli cins ve türlerde farklı detaylara sahip olmakla beraber genel özellikleri bakımından benzerlik gösterilir. •B a z ı e şeysiz sporlar, sporangiofor adı verilen özel bir hif uzantısının ucunda bulunan sporangium denilen kapalı bir yapı içinde olu şurlar. •B a z ıları ise konidiofor adı verilen özel hiflerden olu şarak konidium adını alır. Di ğer e şeysiz spor biçimi ise klamidospor’dur. Klamidospor genellikle vegetatif hücreden geli şir, kalın duvarlıdır ve uygunsuz ko şullara dayanıklıdır. •E şeysiz üremede rüzgarla da ğıla konidialar, miselyumun olu şturdu ğu konidioforların uçlarında meydana gelir. Konidiaların çimlenmesiyle vejatatif üreme devam eder. Küflerde e şeyli üremeEndüstriyel Önemi Olan Küflerin Sınıflandırılması • Ascomycetes : Mayalarda oldu ğu gibi sporlarını askus keseleri içerisinde olu ştururlar. Bununla beraber filamentli mantarlarda askuslar kompleks bir yapı olan ascocarp içinde olu şurlar. • Basidiomycetes grubu küfleri e şeyli sporları basidia, basidiocarp içinde geli ştirirler. Hücre çeperleri glukan ve kitinden olu şur. Agaricus türleri insanlar için endüstriyel mantar tüketimine cevap vermek üzere üretilir.• Deuteromycotina: Bu gruptaki küflerde e şeyli üreme yoktur. Sadece konidia olarak bilinen e şeysiz üreme yapılarıyla ürerler. Hücre çeperleri glukan ve kitinden olu şur. Bu gruba giren en önemli endüstriyel küfler Aspergillus ve Penicillum’dur.• A. niger sitrik ve glukonik asit üretimde kullanılır. • A. oryzae pirinç ve soya ürünlerinin fermentasyonunda ( besin endüstrisinde) , proteolitik ve amilolitik enzimlerin üretilmesinde kullanılır. •B a z ı türleri ise bitkilere örne ğin pamu ğa patojen etkiye sahiptir. Fındık veya fıstık üzerinde üreyen A. flavus insan ve kümes hayvanlarında karaci ğer kanserini indükleyen etkiye sahip B1 – mikotoksin’ini üretirler. • Mitotoksinler genelde küçük molekül a ğırlıklı, insan ve hayvanlara kar şı toksik olan küflere ait metaboliklerdir. • Endüstriyel küflerden en çok üzerinde çalı şılan Penicillum türleridir. •H e r ç e şit organik materyal üzerinde üreyebilen sporları havada sporofit olarak bulunur. • P.griseofulvum griseofulvin üretiminde kullanılır. Bu madde deri ve tırnaktaki mantar tedavisinde kullanılır. • Griseofulvine duyarlı mantarlarda antibiyotik, mikrotubullerdeki tubulinin olu şumuyla ilgili proteine ba ğlanarak mitozda kromozomların ayrılmasını ve hifsel üremeyi durdurur. • Penicillum’un di ğer türlerinin birço ğu besin endüstrisinde önemlidir. Örne ğin P. camemberti, P.roqueforti isimleriyle anılan peynirlerin yapılmasında kullanılır.• Zygomycetes: Sporocarp içerisinde aseksüel (e şeysiz), hareketsiz sporlara sahiptir. Hücre duvarı kitosan ( glukozaminin çok az yada hiç asetillenmemi ş polimeridir) ve kitinden olu şur. • Bu grubun endüstriyel küfleri Mucor ve Rhizopus’tur . Rhizopus migricans sitrik asit üretiminde kullanılır. Mucor ise daha önce anlatıldı ğı gibi peynir yapımında kullanılan rennin üretimnde kullanılmaktadır. Mucor pussillus ve Mucor miehei’den izole edilen asit proteazlar süt proteini kazeindeki peptid ba ğını parçalayarak kazinin çökmesine neden olur. • Normal do ğal ko şullar altında mantarlar e şeysiz olarak ço ğalırlar. E şeyli üreme ise sadece uygun şartlar altında nadiren olabilir. Küflerin endüstriyel üretimi ise özel olarak tasarımı yapılmı ş sadece misel olu şumuna izin veren yatay tanklarda yapılır. Küflerin üretti ği endüstriyel ürünlerden bazıları • Antibiyotikler • Sitrik asit •Ç e şitli peynirler ; Rokfor, camembert, brie peynirleri gibi • Sake (Japon içkisi) • Soya fasulyesi sosu ve di ğer bazı soslar •Ç e şitli enzimler ; Amilaz, Glukoaminaz, Sellulaz, Pektinaz, Proteaz, Mikrobiyal rennet gibiProtist • Protistler (protozoa) nemin bulundu ğu yerlerde, tuzlu ve tatlı sularda ve toprakta bulunurlar. • Simbiyotik ve parazit türlerinin yanı sıra serbest ya şayan türlerde bulunmaktadır. •B a z ıları ototrofik, di ğer bazıları saprofit, bir grup ise heterotrofiktir. • Besin maddelerinin sindirimi sitoplazmadaki besin vakuolleri içinde olmaktadır. • Gaz de ği şimi hücre zarından difüzyon yoluyla olmaktadır. • Hücre metabolizmasının sonucu oluşan atıklar hücreden difüzyonla atılır. Biyoteknolojik önemleri • Siliatların bir ço ğu saprofittir. Ve organik atıkların geri dönü şümünde oldukça büyük öneme sahiptir. • Paramecium ve Chlorella• Protistlerin bazı türleri vitamin özellik B12 ve E vitaminlerini üretir ve üreme ortamına salgılarlar. • Sahip oldukları pigmentleri ise endüstride bir çok kullanım alanı mevcuttur. Ör: Karatenoidler yiyeceklerin renklendirilmesinde yumurta sarısının veya somon balı ğının renginin artırılmasında yemlere katkı maddesi olarak ilave edilir. • Chlorella ve Dunaliella • Phytol (Fitol) bir ba şka potansiyel endüstriyel üründür. • Vitamin A, ß Karoten vit E ve K sentezinin öncül maddeleri olarak kullanılabilir.• Protisler amino asit üretiminde de önemli bir role sahiptir. Aminoasitler ise besin endüstrisinin en önemli katkı maddelerinden birini olu şturur. • Ayrıca çok önemli karbonhidrat kaynağıdırlar. Besin kayna ğı olarak kullanılmalarının yanı sıra mikrobiyal transformasyonlar için örne ğin etanol ve metan üretimi için kaynak olu ştururlar.• Alglerin polisakkarit üretimi bir ba şka önemli üretim alanını olu şturur. •B a z ı alg- polisakkaritlerinin potansiyel anti- kanser aktivitesi oldu ğu da bilinmektedir. • Polisakkaritler yo ğunla ştırıcı ajanlar olarak kullanılır. Polisakkaritin ticari üretiminde Porphyridium cruentum fazla miktarda ekstrasellüler polisakkarit üretme özelli ği ile kullanılır. Ökaryotik Hücre kültürleri • Böcek,memeli ve bitki hücre kültürleri için ayrıntıda farklı ama temelde aynı yakla şımlar ve yöntemler kullanılır. • Öncelikle küçük bir doku parçası organizmadan ayrılır. • Hücreleri birarada tutan hücre dı şı matriksin enzimler kullanılarak parçalanmasıyla hücreler serbest duruma getirilir. • Bitki hücreleri için hücre duvarını parçalamak için ek bir enzim daha kullanılır. • In vitro hücre bölünmesini engelleyen hücre dı şı matriksten uzakla şan hücreler amino asitler, antibiyotikler, vitaminler, tuzlar, glukoz ve üreme faktörleri içeren karma şık bir besi yeri üzerine yerle ştirilir. •B u k o şullar altında hücreler kültür kabının yüzeyini tek tabaka şeklinde kablayıncaya kadar bölünürler. • Bu noktada hücre bölünmesi hücre örnekleri toplanmadan, seyreltilmeden ve yeni bir kültür kabının içinde yeni bir kültür kabına aktarılmadıkça durur. • Genellikle ba şlangıç (primer) hayvan hücre kültürleri aktarılır ve 50- 100 generasyon hücreler bölünme yetene ğini kaybeymeden ve ölmeden korunabilir. • Primer hücre kültürünün hücreleri orjinal hücre tipinin bazı özelliklerini korur. • Bu nedenle çe şitli dokuların biyokimyasal özelliklerini çalı şmak mümkün olmaktadır. •S ıklıkla primer hücre kültürlerinin pasajı sırasında hücrelerin bazılarıhücre kültüründe ço ğalmayı kolayla ştıran genetik de ği şiklikler geçirebilir • Avantaj yönündeki bu seçicili ğe sahip hücreler in vitro üreyerek belli hücre hatlarının olu şmasına neden olur. Kurulan hücre hatları küçük ölçekte virusları korumak ve klonlanmı ş DNA tarafından üretilen proteinin saptanmasında, büyük ölçekte ise a şıların ve klonlanmı ş genlerin kodladı ğı proteinlerin üretiminde kullanılır. Memeli Hücre Kültürleri •B a z ı memeli proteinlerinin yabancı bir organizma içerisinde üretilmesi mümkün de ğildir. •D i ğer bilimsel ve ekonomik nedenlerle bu proteinlerin üretiminde Memeli Hücre Kültürleri kullanılmaktadır. Ör:Monoklonal antikorlar • Neden: Çünkü monoklonal antikorların transkripsiyon ve translasyon düzeylerindeki sentez ve regülasyonlar oldukça karma şıktır. Bu tür proteinler gelecekte tedavi ve analitik uygulamalardaki önemlerinden dolayı oldukça geni ş çalı şmalara konu olacaklardır.Bitki Doku Ve Hücre Kültürleri • Bitki biyoteknolojinin en önemli çalı şma konularının ba şında gelmektedir. • Bitkiler besin kayna ğı olmalarının yanısıra oldukça önemli hammaddelerden biridir. • Brezilya’da arabaların ~%90’ı benzin ve şeker kamı şından fermentasyonla elde edilmi ş alkol karı şımı (gasahol) ile çalı şmaktadır. • Bitkiler de ğerli ilaçların aktif maddelerini sa ğlamaları açısından da önemli kaynaklardır. •B ö y l e d e ğerli maddelerin bitkilerden elde edilmesi ise ülkenin iklim ko şullarına, politikasına ve pazarlama ekonomisine ba ğlıdır. Bu nedenle, bitki hücre kültürü bilimi (bazıları sanat olarak da ifade etmektedir) ortaya çıkmı ş ve geliştirilmi ştir. • Bitki hücrelerinin kültüre edilebilmesi ve büyük ölçeklerde üretilmesi gerek biyokütle eldesi açısından gerekse arzu edilen de ğerli ürünün bu kültürlerden izole edilmesi bakımından üzerinde en fazla çalı şılan konuların ba şında gelmektedir. • Bu de ğerli ürünlerin ço ğu hücrenin dura ğan fazında üretilen sekonder metabolitlerdir. Bu teknoloji ilk do ğu şunda de ğerli ürünlerin elde edilmesi için ekonomik de ğildi fakat teknolojinin geli şimi ile birlikte yüksek hacimde dü şük fiyatla ürün elde edebilmek mümkün olmu ştur. Geleneksel Biyoteknoloji • Şarap Yapımı • Şarap üzümün dı ş tabakasında bulunan yabani mayalar kullanılarak yıllar öncesinden beri yapılmaktadır. •F a r k l ı maya ırkları şarabın o bölgeye ait karakteristik tad ve aromasını vermek üzere o ço ğrafik alan için özel olarak seçilir. • Günümüzde ço ğu modern şarap üreticileri kendi özgün maya ırklarını özelliklerini göre seçimini yaparak kültürleyip saklarlar. • Toplanan üzümler şıra haline getirmek üzere parçalanır. • Geleneksel olarak üzümler ön i şlemden geçirilmez. Sadece Kalifornia’da süfür dioksit etkisinde bırakılarak yabani mayalar öldürülür. •Ü z ü m ü n d ı ş tabakasında bulunan yabani mayalar şıradaki şekerin fermentasyonunu sa ğlar. • Saccharomyces cerevisiae var. ellipsoideus. Bu de ği şimi gerçekle ştiren baskın olan mayadır. • Fermentasyon günlerce sürer. •K ırmızı ve beyaz üzümlerden elde edilen şıralar kırmızı ve beyaz şarapları olu şturur. •K ırmızı şaraplar üzümün dı ş kabu ğu ile birlikte fermente edilir. • Şekerler etanol ve karbon dioksite dönü ştürülürken etanol kabuktaki pigmentleri çözünür duruma getirir ve kırmızı şarap olu şur. • Beyaz şarap için dı ş kabuk uzakla ştırılır.• Pek çok şarap özellikle kırmızı şaraplar ilk yılda malo- laktik fermentasyon adı verilen ikinci bir fermentasyon daha geçirir. • Bu süreç üzümde var olan malik asiti üzümün asiditesini azaltmak üzere laktik asit ve karbon dioksite dönü ştürür. • Bu fermentasyon Pediococcus, Leuconostoc ve Lactibacillus gibi çe şitli laktik asit bakterileri tarafından gerçekle ştirilir. • Şampanta tipi şaraplar ikinci bir fermentasyon geçirir. • Şeker eklenir ve karbon dioksit karbonat üretip şarabı kabarcıklı yapar.