Biyoteknoloji, ürün geliştirmek veya üretmek için canlı sistemleri ve organizmaları veya “belirli kullanım için ürünleri veya işlemleri yapmak veya biyolojik sistemleri, canlı organizmaları veya bunların türevlerini kullanan herhangi bir teknolojik uygulamayı” içeren geniş bir biyoloji alanıdır. Araçlara ve uygulamalara bağlı olarak, moleküler biyoloji, biyo-mühendislik, biyomedikal mühendisliği, biyo-üretim, moleküler mühendislik vb. alanlarla (ilgili) örtüşmektedir. İnsanlık binlerce yıldır tarım, gıda üretimi, çevre ve tıpta biyoteknoloji kullandı. Terimin büyük ölçüde 1919’da Macar mühendis Károly Ereky tarafından üretildiğine inanılıyor. 20. yüzyılın sonlarında ve 21. yüzyılın başlarında biyoteknoloji, genomik, rekombinant gen teknikleri, uygulamalı immünoloji ve farmasötik tedavilerin ve tanı testlerinin geliştirilmesi gibi yeni ve çeşitli bilimleri içerecek şekilde genişlemiştir.
Tanımlar
- Geniş anlamda “biyoteknoloji” kavramı, canlı organizmaları insan amaçlarına göre değiştirmek, hayvanların evcilleştirilmesine, bitkilerin yetiştirilmesine ve yapay olarak kullanılan yetiştirme programları yoluyla bunlara “iyileştirme” yapmak için çok çeşitli prosedürleri kapsar.
- Modern anlamda ayrıca genetik mühendisliğinin yanı sıra hücre ve doku kültürü teknolojilerini de içerir.
- Avrupa Biyoteknoloji Federasyonu’na göre biyoteknoloji, doğa bilimleri ile organizmaların, hücrelerin, bunların parçalarının ve ürün ve hizmetler için moleküler analogların entegrasyonudur.
- Biyoteknoloji, yüksek katma değerli ürünlerin planlanabileceği biyokimyasal mühendislik yoluyla herhangi bir canlı organizmadan ve herhangi bir biyokütle kaynağından keşif, ekstraksiyon, sömürü ve üretim için biyoinformatik kullanan laboratuvarda yapılan araştırma ve geliştirmedir.
- İnsan yaşamlarını iyileştirmesi beklenen ürünler üretmek için biyolojik süreçlerin, organizmaların veya sistemlerin kullanımına biyoteknoloji denir.
- Buna karşılık, biyomühendislik genellikle canlılarla arayüz oluşturmak ve onları kullanmak için daha yüksek sistem yaklaşımlarını daha fazla vurgulayan ilgili bir alan olarak düşünülür.
- Biyomühendislik, mühendislik ve doğa bilimleri prensiplerinin dokulara, hücrelere ve moleküllere uygulanmasıdır. Bu, bitkilerde ve hayvanlarda işlevleri iyileştirebilecek bir sonuç elde etmek için biyoloji ile çalışmak ve manipülasyondan elde edilen bilginin kullanımı olarak düşünülebilir.
- Buna bağlı olarak biyomedikal mühendisliği, özellikle doku mühendisliği, biyofarmasötik mühendislik ve genetik mühendisliği gibi biyomedikal veya kimya mühendisliğinin bazı alt alanlarında biyoteknolojiyi kullanan ve uygulayan örtüşen bir alandır.
Biyoteknoloji Tarihi
Normalde akla ilk gelen şey olmasa da, insan kaynaklı tarımın birçok biçimi, “ürün üretmek için biyoteknolojik bir sistem kullanmak” ın geniş tanımına açıkça uymaktadır. Gerçekten de, bitkilerin ekimi en erken biyoteknolojik girişim olarak görülebilir. Tarım, Neolitik Devrim’den bu yana gıda üretmenin baskın yolu haline geldi. Erken biyoteknoloji sayesinde, ilk çiftçiler, artan nüfusu desteklemek için yeterli gıda üretmek için en yüksek verime sahip en uygun ürünleri seçti ve yetiştirdi. Mahsuller ve tarlalar gittikçe büyüyüp bakımı zorlaştıkça, belirli organizmaların ve yan ürünlerinin etkili bir şekilde dölleyebileceği, azotu geri kazandırabileceği ve zararlıları kontrol edebileceği keşfedildi.
Tarım tarihi boyunca çiftçiler, yeni biyoteknolojinin ilk formlarından biri olan ekinleri yeni ortamlara tanıtarak ve diğer bitkilerle ıslah ederek bitkilerinin genetiğini yanlışlıkla değiştirmiştir. Bu işlemler aynı zamanda biranın erken fermantasyonuna da dahil edilmiştir. Bu süreçler erken Mezopotamya, Mısır, Çin ve Hindistan’da kullanılmaya başlandı ve hala aynı temel biyolojik yöntemleri kullanıyor. Bira yapımında, maltlanmış taneler (enzimler içeren), nişastayı tanelerden şekere dönüştürür ve daha sonra bira üretmek için spesifik mayalar ekler. Bu işlemde, tahıllardaki karbonhidratlar etanol gibi alkollere dönüştü. Daha sonra diğer kültürler, soya sosu gibi diğer korunmuş gıdaları üreten laktik asit fermantasyonu işlemini üretti. Mayalanmış ekmek üretmek için bu zaman diliminde fermantasyon da kullanılmıştır.
Fermantasyon süreci, Louis Pasteur’un 1857’deki çalışmasına kadar tam olarak anlaşılmasa da, bir gıda kaynağını başka bir forma dönüştürmek için hala biyoteknolojinin ilk kullanımıdır. Charles Darwin’in çalışma ve yaşamından önce hayvan ve bitki bilimcileri zaten seçici yetiştirmeyi kullanmışlardı. Darwin, bilimin türleri değiştirebilme yeteneği hakkındaki bilimsel gözlemleriyle bu çalışma grubuna ekledi. Bu açıklamalar Darwin’in doğal seleksiyon teorisine katkıda bulundu. Binlerce yıldır insanlar, mahsul ve hayvancılık üretimini iyileştirmek için seçici ıslahı kullandılar. Seçici üremede, istenen özelliklere sahip organizmalar, aynı özelliklere sahip yavrular üretmek için çiftleştirilir. Örneğin, bu teknik en büyük ve en tatlı mahsulleri üretmek için mısırla birlikte kullanılmıştır.
Yirminci yüzyılın başlarında bilim adamları mikrobiyolojiyi daha iyi anladılar ve belirli ürünleri üretmenin yollarını keşfettiler. 1917’de Chaim Weizmann, endüstriyel bir süreçte ilk olarak, Clostridium acetobutylicum kullanarak mısır nişastası üretmek için saf bir mikrobiyolojik kültür kullandı. Biyoteknoloji ayrıca antibiyotiklerin gelişmesine yol açmıştır. 1928’de Alexander Fleming, Penicillium kalıbını keşfetti. Çalışmaları, bugün penisilin olarak bildiğimiz şeyi oluşturmak için Howard Florey, Ernst Boris Zinciri ve Norman Heatley tarafından küf tarafından oluşturulan antibiyotik bileşiğin saflaştırılmasına yol açtı.
1940 yılında, penisilin, insanlarda bakteriyel enfeksiyonları tedavi etmek için tıbbi kullanım için kullanılabilir hale geldi. Modern biyoteknoloji alanının genellikle Paul Berg’in gen ekleme konusundaki deneylerinin erken başarılı olduğu 1971’de doğduğu düşünülmektedir. Herbert W. Boyer (San Francisco’da Univ. Calif.) Ve Stanley N. Cohen (Stanford), ithal edilen malzemenin çoğaltılacağı şekilde genetik materyali bir bakteriye aktararak yeni teknolojiyi önemli ölçüde geliştirdi. Bir biyoteknoloji endüstrisinin ticari uygulanabilirliği, Birleşik Devletler Yüksek Mahkemesi’nin, Diamond v. Chakrabarty davasında genetik olarak değiştirilmiş bir mikroorganizmanın patentlenebileceğine karar vermesiyle 16 Haziran 1980’de önemli ölçüde genişletildi. General Electric için çalışan Hint doğumlu Ananda Chakrabarty, petrol döküntülerinin tedavisinde kullanılmasını önerdiği ham petrolü parçalayabilen bir bakteriyi (Pseudomonas cinsinden) değiştirmişti. (Chakrabarty’nin çalışması gen manipülasyonunu değil, tüm organellerin Pseudomonas bakterisinin suşları arasında transferini içeriyordu.
MOSFET (metal-oksit-yarı iletken alan etkili transistör) 1959’da Mohamed M. Atalla ve Dawon Kahng tarafından icat edildi. İki yıl sonra, Leland C. Clark ve Champ Lyons 1962’de ilk biyosensörü icat ettiler. Biyosensör MOSFET’ler daha sonra geliştirildi ve o zamandan beri fiziksel, kimyasal, biyolojik ve çevresel parametreleri ölçmek için yaygın olarak kullanıldı. İlk BioFET, 1970 yılında Piet Bergveld tarafından icat edilen iyon duyarlı alan etkili transistör (ISFET) idi. Metal kapının yerine iyona duyarlı bir membran, elektrolit çözeltisi ve referans elektrotun kullanıldığı özel bir MOSFET türüdür. ISFET, DNA hibridizasyonunun tespiti, kandan biyomarker tespiti, antikor tespiti, glikoz ölçümü, pH algılama ve genetik teknoloji gibi biyomedikal uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır.
1980’lerin ortalarında, gaz sensörü, basınç sensörü, kimyasal alan etkili transistör, referans, enzim modifiye dahil olmak üzere diğer BioFET’ler geliştirilmiştir.
Biyoteknoloji Örnekleri
Biyoteknoloji, sağlık (tıbbi), bitkisel üretim ve tarım, ekinlerin ve diğer ürünlerin gıda dışı (endüstriyel) kullanımlarını (örneğin biyolojik olarak bozunabilir plastikler, bitkisel yağ, biyoyakıtlar) ve çevresel kullanımları içeren dört ana sanayi alanında uygulamalara sahiptir. Örneğin, biyoteknolojinin bir uygulaması, organik ürünlerin üretimi için mikroorganizmaların doğrudan kullanımıdır (örnekler bira ve süt ürünlerini içerir). Başka bir örnek, biyokütlenmede madencilik endüstrisi tarafından doğal olarak bulunan bakterilerin kullanılmasıdır. Biyoteknoloji aynı zamanda endüstriyel faaliyetler (biyolojik iyileştirme) ile kirlenmiş alanları geri dönüştürmek, arıtmak, temizlemek ve biyolojik silahlar üretmek için de kullanılmaktadır. Biyoteknolojinin çeşitli dallarını tanımlamak için bir dizi türetilmiş terim üretilmiştir. Kısaca ;
- Biyoinformatik (“altın biyoteknolojisi” olarak da bilinir), hesaplama tekniklerini kullanarak biyolojik problemleri ele alan ve hızlı organizasyonu ve biyolojik verilerin analizini mümkün kılan disiplinler arası bir alandır. Alan aynı zamanda hesaplamalı biyoloji olarak da adlandırılabilir ve “biyolojiyi moleküller açısından kavramsallaştırmak ve daha sonra bu moleküller ile ilişkili bilgileri büyük ölçekte anlamak ve düzenlemek için bilişim tekniklerini uygulamak” olarak tanımlanabilir.
- Biyoinformatik fonksiyonel genomik, yapısal genomik ve proteomik gibi çeşitli alanlarda önemli bir rol oynar ve biyoteknoloji ve ilaç sektöründe anahtar bir bileşen oluşturur.
- Mavi biyoteknoloji, ürün ve endüstriyel uygulamalar yaratmak için deniz kaynaklarının kullanılmasına dayanmaktadır. Bu biyoteknoloji dalı, en başta fotosentetik mikro algler içeren biyo-yağların üretiminde rafinaj ve yanma endüstrileri için en çok kullanılan alandır.
- Yeşil biyoteknoloji, tarımsal süreçlere uygulanan biyoteknolojidir. Bir örnek, mikro-çoğaltma yoluyla bitkilerin seçilmesi ve evcilleştirilmesidir.
- Kırmızı biyoteknoloji, tıp ve ilaç endüstrilerinde biyoteknolojinin kullanılması ve sağlığın korunmasıdır. Bu dal aşı ve antibiyotik üretimini, rejeneratif tedavileri, yapay organların oluşturulmasını ve hastalıkların yeni teşhisini içermektedir. Hormonların, kök hücrelerin, antikorların, siRNA’nın ve tanı testlerinin geliştirilmesinin yanı sıra. Endüstriyel biyoteknoloji olarak da bilinen beyaz biyoteknoloji, endüstriyel proseslere uygulanan biyoteknolojidir.
- Beyaz biyoteknoloji, endüstriyel ürünler üretmek için kullanılan geleneksel süreçlerden daha az kaynak tüketme eğilimindedir.
- Sarı biyoteknoloji, biyoteknolojinin gıda üretiminde, örneğin fermantasyon yoluyla şarap, peynir ve bira yapımında kullanılması anlamına gelir. Böceklere uygulanan biyoteknolojiye atıfta bulunmak için de kullanılmıştır. Bu, zararlı böceklerin kontrolü için biyoteknolojiye dayalı yaklaşımları, araştırma için aktif bileşenlerin veya böcek genlerinin karakterizasyonu ve kullanımını veya tarım ve tıpta uygulama ve diğer çeşitli yaklaşımları içerir.
- Gri biyoteknoloji çevresel uygulamalara adanmıştır ve biyolojik çeşitliliğin korunmasına ve kirleticilerin giderilmesine odaklanmıştır.
- Kahverengi biyoteknoloji, çöllerin ve kurak toprakların yönetimi ile ilgilidir. Bir uygulama, kurak bölgelerin inovasyon, tarım tekniklerinin oluşturulması ve kaynakların yönetimi ile ilgili aşırı çevresel koşullara direnen gelişmiş tohumların yaratılmasıdır.
- Menekşe biyoteknoloji, biyoteknoloji ile ilgili hukuk, etik ve felsefi konularla ilgilidir.
- Koyu biyoteknoloji, insanlarda, hayvanlarda ve ürünlerde hastalıklara ve ölüme neden olmak için mikroorganizmalar ve toksinler kullanan biyoterörizm veya biyolojik silahlar ve biyolojik savaşla ilişkili renktir.
Tıpta Biyoteknoloji
Tıpta, modern biyoteknoloji, farmasötik ilaç keşifleri ve üretimi, farmakogenomik ve genetik test (veya genetik tarama) gibi alanlarda birçok uygulamaya sahiptir.
Farmakogenomik (farmakoloji ve genomiklerin bir kombinasyonu), genetik makyajın bireyin ilaçlara verdiği yanıtı nasıl etkilediğini analiz eden teknolojidir. Alandaki araştırmacılar, gen ekspresyonunu veya tek nükleotid polimorfizmlerini bir ilacın etkinliği veya toksisitesi ile ilişkilendirerek genetik varyasyonun hastalarda ilaç tepkileri üzerindeki etkisini araştırmaktadır. Farmakogenomiklerin amacı, hastaların genotipine göre ilaç tedavisini optimize etmek için minimal olumsuz etkilerle maksimum etkinliği sağlamak üzere akılcı araçlar geliştirmektir.
Biyoteknoloji, geleneksel küçük moleküllü farmasötik ilaçların yanı sıra biyoteknoloji – biyofarmasötiklerin ürünü olan ilaçların keşfine ve üretimine katkıda bulunmuştur. Modern biyoteknoloji, mevcut ilaçları nispeten kolay ve ucuz bir şekilde üretmek için kullanılabilir. Genetiği değiştirilmiş ilk ürünler insan hastalıklarını tedavi etmek için tasarlanmış ilaçlardır. Bir örnek vermek gerekirse, 1978’de Genentech, genini Escherichia coli bakterisine yerleştirilmiş bir plazmid vektörü ile birleştirerek sentetik insanlaştırılmış insülin geliştirdi. Diyabet tedavisinde yaygın olarak kullanılan insülin, daha önce mezbaha hayvanlarının (sığır veya domuz) pankreasından çıkarıldı. Genetiği değiştirilmiş bakteriler nispeten düşük maliyetle büyük miktarlarda sentetik insan insülini üretebilirler.
Biyoteknoloji ayrıca gen terapisi gibi ortaya çıkan terapötikleri de sağlamıştır. Biyoteknolojinin temel bilime uygulanması (örneğin, İnsan Genom Projesi aracılığıyla) biyoloji anlayışımızı önemli ölçüde geliştirdi ve normal ve hastalık biyolojisi hakkındaki bilimsel bilgimiz arttıkça, daha önce tedavi edilemeyen hastalıkları tedavi etmek için yeni ilaçlar geliştirme yeteneğimiz arttı de. Genetik test, kalıtsal hastalıklara karşı zayıflıkların genetik teşhisine izin verir ve ayrıca bir çocuğun ebeveynliğini (genetik anne ve baba) veya genel olarak bir kişinin soyunu belirlemek için kullanılabilir. Tek tek genler düzeyinde kromozomları incelemeye ek olarak, daha geniş anlamda genetik testler, genetik hastalıkların olası varlığı için biyokimyasal testleri veya genetik bozukluk geliştirme riski ile ilişkili genlerin mutant formlarını içerir. Genetik test kromozom, gen veya proteinlerdeki değişiklikleri tanımlar. Çoğu zaman, test kalıtsal bozukluklarla ilişkili değişiklikleri bulmak için kullanılır. Bir genetik testin sonuçları şüpheli bir genetik durumu doğrulayabilir veya ekarte edebilir veya bir kişinin genetik bir bozukluğu geliştirme veya geçirme şansını belirlemeye yardımcı olabilir. 2011 itibariyle yüzlerce genetik test uygulanmıştır. Genetik testler etik veya psikolojik problemlere neden olabileceğinden, genetik testlere sıklıkla genetik danışmanlık eşlik eder.
Tarımda Biyoteknoloji
Genetiği değiştirilmiş ürünler (“GM bitkileri” veya “biyoteknoloji bitkileri”) DNA’da genetik mühendisliği teknikleri ile değiştirilmiş tarımda kullanılan bitkilerdir. Çoğu durumda, ana amaç türlerde doğal olarak oluşmayan yeni bir özellik sunmaktır. Biyoteknoloji firmaları, kentsel tarımın beslenmesini ve yaşayabilirliğini geliştirerek gelecekteki gıda güvenliğine katkıda bulunabilir. Ayrıca, fikri mülkiyet haklarının korunması özel sektörün agrobiyoteknolojiye yatırımını teşvik etmektedir. Örneğin, Illinois’de FARM Illinois (Illinois Gıda ve Tarım Yol Haritası), çiftçileri, sanayiyi, araştırma kurumlarını, hükümeti ve gıda ve tarımsal yeniliklerin peşinde olan kar amacı gütmeyen kuruluşları geliştirmek ve koordine etmek için bir girişimdir. Buna ek olarak, Illinois Biyoteknoloji Sanayi Örgütü (iBIO) 500’den fazla yaşam bilimi şirketi, üniversite, akademik kurum, hizmet sağlayıcı ve diğer üyelerle birlikte bir yaşam bilimleri endüstrisi derneğidir. Dernek, üyelerini “Illinois ve çevresindeki Midwest’i dünyanın en iyi yaşam bilimleri merkezlerinden biri haline getirmeye adamış” olarak tanımlamaktadır.
Gıda mahsullerinde örnek olarak bazı zararlılara karşı direnç, hastalıklar, stresli çevre koşulları, kimyasal işlemlere karşı direnç (örneğin bir herbisite karşı direnç , bozulmanın azaltılması, veya mahsulün besin profili. Gıda dışı mahsullerde örnek olarak farmasötik ajanlar, biyoyakıtlar, ve diğer endüstriyel olarak yararlı mallar ve biyolojik iyileştirme üretilebilir. Çiftçiler GM teknolojisini yaygın olarak benimsemiştir. 1996 ve 2011 yılları arasında GDO’lu ürünlerle yetiştirilen toplam arazi alanı 94 kat artarak 17.000 kilometrekareden (4.200.000 dönüm) 1.600.000 km2’ye (395 milyon dönüm) yükselmiştir. Dünya mahsul alanlarının% 10’u 2010 yılında GM mahsulleri ile dikilmiştir. 2011 itibariyle ABD, Brezilya, Arjantin, Hindistan, Kanada, Çin, Paraguay, Pakistan, Güney Afrika, Uruguay, Bolivya, Avustralya gibi 29 ülkede 395 milyon dönüm (160 milyon hektar) üzerinde 11 farklı transgenik ürün ticari olarak yetiştirildi. Filipinler, Burkina Faso, İspanya, Meksika ve Myanmar.
Genetiği değiştirilmiş gıdalar, genetik mühendisliği yöntemleri ile DNA’larında spesifik değişiklikler geçirmiş organizmalardan üretilen gıdalardır. Bu teknikler, yeni mahsul özelliklerinin eklenmesine ve bir gıdaların genetik yapısı üzerinde, daha önce seçici yetiştirme ve mutasyon ıslahı gibi yöntemlerin sağladığı daha büyük bir kontrole izin vermiştir. Genetiği değiştirilmiş gıdaların ticari satışı Calgene’nin Flavr Savr’ın olgunlaşan domateslerini ertelediği ilk kez 1994 yılında başladı. Bugüne kadar gıdaların genetik modifikasyonunun çoğu, soya, mısır, kanola ve pamuk tohumu yağı gibi çiftçiler tarafından yüksek talep gören nakit mahsullere odaklanmıştır. Bunlar patojenlere ve herbisitlere karşı direnç ve daha iyi besin profilleri için tasarlanmıştır.
GM hayvancılık da deneysel olarak geliştirilmiştir; Kasım 2013’te piyasada hiçbiri yoktu, ancak 2015’te FDA ticari üretim ve tüketim için ilk GM somonunu onayladı. Şu anda GDO’lu ürünlerden elde edilen gıdaların, insan sağlığı için geleneksel gıdalardan daha fazla risk oluşturmadığı konusunda bilimsel bir fikir birliği vardır ancak her GM yiyeceğinin tanıtılmadan önce her bir vaka için ayrı ayrı test edilmesi gerektiğinden Bununla birlikte, halk üyelerinin GDO’lu gıdaları güvenli olarak algılamaları bilim adamlarından çok daha az olasıdır. GDO’lu yiyeceklerin yasal ve düzenleyici statüsü ülkeye göre değişir, bazı ülkeler onları yasaklar veya kısıtlar, bazıları ise çok farklı düzenleme derecelerine izin verir. GM mahsulleri, fazla kullanılmadıkları takdirde bir takım ekolojik faydalar da sağlarlar. Bununla birlikte, muhalifler, çevresel kaygılar, GM mahsullerden üretilen gıdaların güvenli olup olmadığı, GM mahsullerinin dünyadaki gıda ihtiyaçlarını karşılamak için gerekli olup olmadığı ve bu organizmaların tabi olduğu gerçeğiyle ortaya çıkan ekonomik kaygılar da dahil olmak üzere GM mahsullerine kendi başlarına itiraz ettiler.
Sanayide Biyoteknoloji
Endüstriyel biyoteknoloji (özellikle Avrupa’da beyaz biyoteknoloji olarak bilinir), biyoteknolojinin endüstriyel fermantasyon dahil endüstriyel amaçlar için uygulanmasıdır. Kimyasallar, gıda ve yem, deterjanlar, kağıt ve kağıt hamuru, tekstil ve biyoyakıtlar gibi sektörlerde endüstriyel olarak yararlı ürünler üretmek için mikroorganizmalar gibi hücrelerin veya enzimler gibi hücrelerin bileşenlerinin kullanılmasını içerir. Mevcut on yıllarda, endüstriyel biyoteknolojinin uygulama çeşitliliğini ve ekonomik uygulanabilirliğini arttıran genetik olarak değiştirilmiş organizmaların (GDO’lar) oluşturulmasında önemli ilerlemeler kaydedilmiştir. Endüstriyel biyoteknoloji, çeşitli kimyasallar ve yakıtlar üretmek için yenilenebilir hammaddeler kullanarak, sera gazı emisyonlarını azaltmaya ve petrokimya temelli bir ekonomiden uzaklaşmaya aktif olarak ilerlemektedir.