Biyoteknoloji ve Genetik Mühendisliği: Gen Klonlama, Rekombinant DNA, Model Organizmalar, Kök Hücre, Gen Terapisi ve Biyoetik

Günümüzde sıklıkla birbiri yerine kullanılan 'genetik mühendisliği' ve 'biyoteknoloji' kavramları birbirini tamamlayan ancak kapsamları farklı iki alanı ifade eder. Genetik mühendisliği; canlıların kalıtsal materyali olan DNA ve RNA'nın yapısını moleküler düzeyde inceleyen, genlerin izole edilmesini (ayrıştırılmasını), nükleotit dizilerinin belirlenmesini, çoğaltılmasını, değiştirilmesini ve bir canlıdan başka bir canlıya aktarılmasını sağlayan bilimsel yöntem ve araştırma alanıdır.

Biyoteknoloji ise; genetik mühendisliği başta olmak üzere biyokimya, mikrobiyoloji ve mühendislik bilimlerinin sağladığı bilgi ve teknikleri kullanarak bitki, hayvan veya mikroorganizmalardan insanlık yararına yeni ürünler (ilaç, hormon, aşı, antikor, enzim, gıda) üretme teknolojisidir. Kısaca genetik mühendisliği yöntemi tasarlar, biyoteknoloji ise bu yöntemi endüstriyel ürüne dönüştürür.

Biyoteknoloji tarihsel gelişimine göre ikiye ayrılır: 1) Geleneksel (Klasik) Biyoteknoloji: Binlerce yıldır insanların gen yapısına doğrudan müdahale etmeden mikroorganizmaları kullanarak sütten yoğurt ve peynir, üzüm suyundan sirke yapması, hamur mayalaması ile istenilen özelliklere sahip bitki ve hayvanları seçerek çaprazlaması (yapay seçilim ve melezleme/ıslah çalışmaları) geleneksel biyoteknolojidir. Örneğin daha çok süt veren ineklerin veya soğuğa dayanıklı buğdayların seçilerek üretilmesi bu kapsamdadır. 2) Modern Biyoteknoloji: Rekombinant DNA teknolojisi, gen klonlama, hücre ve doku kültürü, gen terapisi ve genom düzenleme gibi moleküler tekniklere dayanan çağdaş biyoteknolojidir.

Bir genin kopyalarının üretilmesi veya o genin şifrelediği proteinin (örneğin insan insülin hormonunun ya da büyüme hormonunun) başka bir hücrede sentezlenmesi işlemine 'gen klonlaması' denir. Farklı türlere ait DNA parçalarının laboratuvar ortamında birleştirilmesiyle oluşturulan yeni DNA molekülüne ise 'Rekombinant DNA (rDNA)' adı verilir. Gen klonlamasında taşıyıcı (vektör) olarak genellikle bakterilerin sitoplazmasında bulunan küçük, halkasal DNA parçaları olan 'plazmitler' veya bakteriyofajlar (virüsler) kullanılır.

Bakteriler aracılığıyla bir genin klonlanması sırasıyla şu beş temel basamakta gerçekleşir: 1. İzolasyon (Ayrıştırma): İstenilen geni (örneğin insülin genini) taşıyan insan pankreas hücresinden DNA molekülü ve taşıyıcı olarak kullanılacak bakteriden ($\text{E. coli}$) plazmit DNA'sı saf olarak ayrıştırılır. 2. Kesim İşlemi: Hem insan DNA'sındaki hedef gen bölgesi hem de bakteri plazmiti, AYNI 'restriksiyon endonükleaz' (kesici) enzimi ile kesilir. Aynı enzim kullanıldığı için her iki DNA parçasında da birbiriyle baz eşleşmesi yapabilecek tamamlayıcı 'yapışkan uçlar' (açıkta kalan baz dizileri) oluşur. 3. Birleştirme (Rekombinant DNA Eldesi): Kesilen hedef gen ile açık plazmit karıştırılır ve ortama 'DNA ligaz' (yapıştırıcı) enzimi eklenir. DNA ligaz enzimi, gen ile plazmit uçları arasında 'fosfodiester bağları' kurarak onları birleştirir; böylece Rekombinant DNA (rDNA) elde edilmiş olur. 4. Hücreye Aktarım (Transformasyon): Elde edilen rekombinant plazmit, tekrar bir bakteri hücresinin içine aktarılır; böylece 'genetiği değiştirilmiş (transgenik) bakteri' oluşur. 5. Çoğaltma ve Ürün Eldesi: Uygun besi yerinde hızla ikiye bölünerek çoğalan bakteriler, her bölünmede rekombinant plazmiti de kopyalar (gen klonlanır) ve ribozomlarında insan insülini hormonunu bol miktarda sentezler.

Genetik ve biyoteknolojik araştırmalarda deneylerin hızlı, ekonomik ve güvenilir sonuç vermesi için kullanılan canlılara 'model organizma' denir. İyi bir model organizmada aranan temel özellikler şunlardır: 1) Yaşam döngüsünün (üreme süresinin) kısa olması ve bir batında çok sayıda döl vermesi, 2) Laboratuvar ortamında kolay ve düşük maliyetle yetiştirilebilmesi, 3) Genom büyüklüğünün küçük olması ve genom haritasının tamamen bilinmesi, 4) Deneysel müdahalelere ve gen aktarımına elverişli olması. Bilim dünyasında en çok kullanılan model organizmalar; bakteri ($\text{Escherichia coli}$), bira mayası mantarı ($\text{Saccharomyces cerevisiae}$), sirke/meyve sineği ($\text{Drosophila melanogaster}$), fare ($\text{Mus musculus}$) ve tere otu bitkisidir ($\text{Arabidopsis thaliana}$).

Genetik mühendisliği yöntemleriyle kendi gen diziliminde değişiklik yapılan veya kendisine başka bir canlıdan gen aktarılan organizmalara genel olarak 'Genetiği Değiştirilmiş Organizma (GDO)' denir. Eğer bir canlıya kendi türünden değil de 'farklı bir türe ait' gen aktarılmışsa bu canlıya özel olarak 'transgenik organizma' adı verilir. Dolayısıyla her transgenik canlı bir GDO'dur, ancak sadece kendi geni susturulmuş veya değiştirilmiş her GDO transgenik olmayabilir. Örneğin nergis bitkisinden alınan A vitamini öncülü (beta-karoten) sentezleme geninin pirinç bitkisine aktarılmasıyla üretilen 'Altın Pirinç' veya ateş böceğinin ışık saçma (lusiferaz) geninin aktarıldığı tütün bitkisi transgenik canlı örnekleridir.

Gen klonlamasından farklı olarak, çok hücreli bir hayvanın eşeysiz yollarla genetik ikizinin üretilmesine 'canlı (organizma) klonlaması' denir. 1996 yılında İskoç bilim insanı Ian Wilmut ve ekibi tarafından klonlanan ilk memeli hayvan 'Koyun Dolly'dir. Bu işlemde: • A koyununun meme bezinden alınan bir vücut (soma) hücresinin ($2n$) diploit çekirdeği mikroenjeksiyonla çıkarılmıştır. • B koyunundan alınan haploit ($n$) yumurta hücresinin çekirdeği çıkarılarak atılmış, sadece sitoplazması kullanılmıştır. • A koyununun çekirdeği ($2n$), B koyununun çekirdeksiz yumurta sitoplazmasıyla elektrik şoku yardımıyla kaynaştırılmış ve mitoz bölünmelerle embriyo oluşturulmuştur. • Gelişen embriyo taşıyıcı anne olan C koyununun döl yatağına (rahmine) yerleştirilmiş ve doğum sonucunda Dolly dünyaya gelmiştir. Dolly'nin çekirdek DNA'sı, cinsiyeti ve tüm kalıtsal özellikleri ÇEKİRDEK VERİCİSİ olan A koyunu ile birebir aynıdır; ancak mitokondriyal DNA'sı yumurta sitoplazmasını veren B koyunundan gelmiştir.

Modern biyoteknolojinin insan sağlığına sunduğu en umut verici uygulamaların başında 'Kök Hücre' teknolojisi gelir. Kök hücreler; henüz belirli bir doku veya organ hücresine farklılaşmamış, kendini yenileme (mitozla bölünme) yeteneği çok yüksek olan ve uygun sinyaller verildiğinde sinir, kas, kan veya kıkırdak gibi farklı hücre tiplerine dönüşebilen ana hücrelerdir. Üç temel kaynağı vardır: 1) Embriyonik Kök Hücreler: Blastula evresindeki embriyodan elde edilir; dönüşüm yeteneği en yüksek (tüm dokulara dönüşebilen) kök hücrelerdir. 2) Göbek Kordonu Kanı Kök Hücreleri: Doğum sırasında alınarak dondurulur. 3) Yetişkin Kök Hücreleri: Kemik iliği, deri ve yağ dokusunda bulunur; dönüşüm yeteneği daha sınırlıdır. Kök hücreler; lösemi (kan kanseri), Parkinson, Alzheimer, diyabet ve omurilik yaralanmalarının tedavisinde kullanılmaktadır.

Bir diğer devrim niteliğindeki yöntem 'Gen Terapisi'dir. Hücrelerdeki kusurlu veya hastalık yapıcı mutant genlerin tespit edilerek, zararsız hale getirilmiş virüs vektörleri aracılığıyla sağlam genlerle değiştirilmesi veya onarılması işlemidir. Özellikle erken embriyonik dönemde uygulandığında kalıtsal hastalıkların kalıcı olarak tedavi edilmesini sağlar.

Adli tıp, babalık davaları ve türlerin akrabalık derecelerinin belirlenmesinde ise 'DNA Parmak İzi' yöntemi kullanılır. İnsan DNA'sının yaklaşık $\%99{,}9$'u tüm insanlarda aynıdır; ancak genler arasındaki kodlama yapmayan bölgelerde kişiden kişiye tekrar sayısı değişen özel baz dizileri (VNTR / mikrosatellit dizileri) bulunur. Suç mahallinden alınan çok az miktardaki kan, tükürük veya kıl kökü örneğindeki DNA, 'Polimeraz Zincir Reaksiyonu (PCR)' yöntemiyle tüpte milyonlarca kez çoğaltılır, restriksiyon enzimleriyle kesilir ve 'Jel Elektroforezi' cihazında elektrik alanında uzunluklarına göre bantlar halinde ayrıştırılır. Tek yumurta ikizleri hariç her insanın DNA parmak izi bant dizilimi kendine özgüdür.

1990 yılında başlatılıp 2003 yılında tamamlanan 'İnsan Genom Projesi (İGP)', insanın 46 kromozomunda yer alan yaklaşık 3 milyar baz çiftinin dizilimini ve 20-25 bin civarındaki genin kromozomlar üzerindeki yerlerini (gen haritasını) ortaya çıkarmayı amaçlamış uluslararası bir bilim projesidir. Bu proje sayesinde kanser, kalp-damar hastalıkları ve genetik sendromlara yol açan genler tespit edilmiş; kişiye özel ilaç ve tedavi (farmakogenomik) dönemi başlamıştır.

Ancak genetik mühendisliği ve biyoteknolojideki bu baş döndürücü güç, beraberinde ciddi ekolojik, hukuki ve ahlaki soruları da getirmiştir. Genetiği değiştirilmiş organizmaların (GDO) insan sağlığına, doğal ekosistemlere ve biyoçeşitliliğe zarar vermeden güvenli bir biçimde araştırılması ve kullanılması için alınan yasal ve bilimsel önlemler bütününe 'Biyogüvenlik' denir. Örneğin GDO'lu tarım ürünlerinin polenlerinin rüzgârla doğal (yerli) bitki türlerine taşınması 'gen kaçışı'na (gen kirliliğine) yol açabilir, hedef olmayan yararlı böcek türlerine zarar verebilir ve insanlarda alerjik reaksiyonlar tetikleyebilir. Türkiye'de 2010 yılında yürürlüğe giren Biyogüvenlik Kanunu ile GDO'lu ürünlerin üretimi ve bebek mamalarında kullanımı yasaklanmış, sıkı denetime tabi tutulmuştur.

Biyoteknolojik çalışmaların insan onuruna, ahlaki değerlere ve toplumsal adalete uygunluğunu tartışan disipline ise 'Biyoetik' adı verilir. Biyoetik ilkelerine göre; insan klonlama kesinlikle yasaktır; bireylerin genetik harita bilgileri gizli tutulmalı, iş başvurularında veya sağlık sigortası şirketleri tarafından ayrımcılık aracı olarak kullanılmamalıdır.

Genden Proteine ünitesi boyunca nükleik asitlerin keşfinden DNA replikasyonuna, genetik şifre ve protein sentezinden biyoteknoloji uygulamalarına kadar uzanan süreç incelendiğinde; moleküler biyolojinin 21. yüzyılın en stratejik bilimi olduğu görülür.

Kalıtsal bilgiyi taşıyan dört nükleotit harfinin ($\text{A, T, G, C}$) sırasını çözmek ve düzenlemek; insanlığa açlık, kuraklık ve salgın hastalıklarla mücadelede muazzam imkânlar sunmaktadır.

Bu bilimsel gücün, biyogüvenlik kuralları ve biyoetik değerler rehberliğinde doğanın dengesini koruyarak kullanılması, gelecek nesillerin sağlıklı bir dünyada yaşaması için en temel sorumluluktur.