Genetik Mühendisliği Nedir?

Genetik mühendisliği (kimi zaman genetik modifikasyon olarak da bilinir), modern DNA teknolojilerini kullanarak bir organizmanın genetik yapısını (genotipini), dolayısıyla da fiziksel özelliklerini (fenotipini) doğrudan değiştirme işidir. Değiştirilen DNA bir hayvana, bitkiye veya bakteriye ait olabilir.

Genetik mühendisliği sırasında değiştirilen, canlının genomundaki tek bir baz (A, T, C, G) olabileceği gibi, DNA'nın belli bir bölgesinin tamamının silinmesi ve hatta yeni bir genin genoma eklenmesi de olabilir. Tüm bu genetik kavramlar hakkında daha fazla bilgiyi buradaki yazımızdan alabilirsiniz.

Çoğu zaman genetik mühendisliğinde yapılan, bir diğer canlının genomundan belirli bir parçayı alıp, onunla yakın akraba bile olmayan bir diğer canlının genomuna o parçanın eklenmesidir. Bu sayede, evrimsel süreçte henüz ortaya çıkmamış genetik kombinasyonları teknoloji aracılığıyla yaratmak mümkün olabilmektedir. Özellikle de CRISPR teknolojisi sayesinde genetik mühendisliği yepyeni bir çağa girmiştir.

Genetik Mühendisliği, Bir "Mühendislik" Dalı mı?

"Genetik mühendisliği" veya "genom mühendisliği", ülkemizde en yanlış anlaşılan, yanlış tanınan, yanlış bilinen alanlardan birisidir. Hatalı bilgilerin ülkemizde özgürce yayılabiliyor olmasından ötürü "Moleküler Biyoloji ve Genetik" bölümü, bir şekilde "Genetik Mühendisliği" olarak düşünülmeye başlanmıştır. Hatta birçok insan, bu isimle ayrı bir üniversite bölümü olduğunu bile sanmaktadır! Muhtemelen bunun ardında yatan sebep, "mühendislik" sözcüğünün bölümlere "havalı" bir tavır katıyor olmasıdır. 

Birçokları genetik mühendisliğini bir "mühendislik dalı" sansa da, aslında moleküler biyoloji ve genetik uzmanlarının kullandığı araçlardan (yöntemlerden) birisidir; kendi başına bir mühendislik sahası değildir. Genler üzerinde yapılan iş, mühendislerin bir ürün inşa etmesi sırasında takip ettikleri adımları andırdığı için bu isimle anılır. Yani uygulamanın kendisi mühendislik ile benzeşse de, aslen moleküler biyologların kullandığı sayısız yöntemden birisidir. Tıpkı bir makina mühendisinin, tasarladığı bir makinaya yönelik parçalar üretip bunları birleştirmesi gibi, "genetik mühendisleri" de (daha doğrusu genetik mühendisliği yöntemlerini kullanan biyologlar da), tasarlamak istedikleri bir organizmaya (ve organizmanın bir özelliğine yönelik) genleri hazırlayıp, bunları diledikleri organizmada bir araya getirerek istedikleri son ürünleri yaratırlar.

Türkiye'deki hiçbir üniversitede "Genetik Mühendisliği" diye bir bölüm bulunmamaktadır. Hatta dünyada da doğrudan "Genetik Mühendisliği" adıyla bilinen hiçbir bölüm bulunmamaktadır. Bazı üniversitelerde bu yönde girişim olsa da ve bazı üniversiteler, daha farklı bir alan olan "Biyolojik Mühendislik" bölümleri açmış olsa da, ülkemizde geleneksel anlamıyla akla gelen "Genetik Mühendisliği" bir bölüm değildir. Genetik, bir "mühendislik" alanı bile değildir! Genetik mühendisliği, "genlerde oynama ve düzenleme" yapıldığı için mühendisliği andırıyor olmasından ötürü bu şekilde adlandırılır. Aslında Moleküler Biyologlar ve Genetikçilerin kullandığı metotlardan bir tanesidir. Genetik mühendisliği (ya da genetik modifikasyon), bir organizmanın genomunun biyoteknoloji yöntemleri kullanarak değiştirme (manipüle etme) işidir. Kendi başına bir bölüm ya da meslek değildir. Aslolan bölüm Moleküler Biyoloji ve Genetik'tir; dolayısıyla "genetik mühendisliği" yöntemlerini uygulamak isteyen kişiler, bu bölümü seçmelidir.

Buna rağmen genetik mühendisliği, bilimin en önemli uğraş alanlarından ve metotlarından bir tanesidir. Kökenleri, Charles Darwin'in Evrim Teorisi'ne dayanmaktadır ve oldukça önemli basamaklardan geçerek bugünlere kadar gelmiştir. Aşağıdaki görselde bunu görebilirsiniz.

Visually

Genetik Mühendisliği Nasıl Çalışıyor?

Bunu anlamanın en kolay yolu, bir örneğe bakmak olacaktır. Bu nedenle, insülin adı verilen ve vücudumuzdaki şeker miktarını düzenlememizi sağlayan proteine ve bu proteine yönelik genetik mühendisliği çalışmalarına kısa bir bakış atalım:

Normalde insülin, pankreasımızda üretilen bir hormondur. Ne var ki Tip-1 diyabet hastası olan kişilerde insülin üretilemez. Bu nedenle de vücutları, şeker düzeyini kontrol etmeyi başaramaz. Bu kişiler, ölüm gibi ciddi problemlerle yüzleşmemek için dışarıdan insülin alması gerekmektedir.

Uzun yıllar boyunca insülin sentetik olarak üretilmeye çalışıldı. Bu mümkün olsa da, son derece masraflı bir süreçti. Bu işlemi kolaylaştırmanın bir yolu, bakteri ve maya mantarı gibi basit yapılı canlıların bizler için insülin üretmesini sağlamaktı. Normalde bu canlılarda insülin bulunmuyordu; ancak insülini üreten genlerin bu canlılara aktarılması sayesinde, bu canlılar da normal genetik süreçlerinin bir ürünü olarak insülin üretebilmeye başladılar. Humulin adı verilen bu genetiği değiştirilmiş ürün, 1982 yılında insan kullanımına uygun olarak lisanslandı ve Dünya çapında milyonlarca diyabet hastasına umut oldu.

Temel Genetik Mühendislik Süreci

Aslında genetik mühendisliğini tek bir yolu yok ve zaman içinde çok yeni yöntemler keşfettik. Örneğin son birkaç yılın en önemli keşiflerinden biri olan CRISPR-Cas9 sistemi, genetik mühendisliğinin en önemli araçlarından biri haline geldi. Ancak bu yeni mekanizmayı buradaki yazımızda detaylıca anlattığımız için, bu yazımızda daha temel bir anlatıma başvuracağız.

Hedefinde bakteri veya maya mantarları bulunan genetik mühendisliği uygulamalarının çoğu, bu canlılardaki plazmid adı verilen halkasal bir DNA'nın izole edilmesiyle başlamaktadır. Moleküler makas adı verilen özel enzimler kullanılarak bu DNA'nın ufak bir kısmı kesilerek ayrılır. Böylece plazmid üzerinde ufak bir boşluk yaratılmış olur.

Sonrasında bu boşluk, canlıya eklenmesi istenen gen ile doldurulur. Yani bakterilere kazandırılmak istenen gen, bu boşluğa eklenir. İnsülin örneğinde bu, insülini üreten genlerdir.

Genetik Mühendisliği Neyi Hedefler?

Genetik mühendisliği yöntemlerini kullanabileceğimiz canlıların herhangi bir sınırı bulunmamaktadır. En basit yapılı virüslerden, en karmaşık yapılı organizmalara kadar (kediler, köpekler, insanlar, ayılar, çam ağaçları gibi) her canlının genomlarını değiştirmek ve dolayısıyla onlara yeni özellikler kazandırmak, sahip oldukları özellikleri ortadan kaldırmak mümkündür. Bunun en bilindik örnekleri, bu yazı içinde ilerleyen kısımlarda da göreceğimiz üzere, çeşitli çevresel faktörlere karşı dirençli tarım ürünleridir.

Genetik mühendislik yöntemleriyle üretilen canlılara genetiği değiştirilmiş organizmalar (GDO) da denmektedir. Eğer bu organizmalar, birçok durumda olduğu gibi besin ürünleriyse, bunlara genetiği değiştirilmiş besinler (GDB) denmektedir.

Bu yeni gen ile donanmış plazmidler, bakteri ve mantarlara yeniden eklenir. Bu canlılar, yeni geni ayırt edemedikleri için, genetiği değiştirilmiş plazmidleri normal bölünme döngülerinde kullanmaya devam ederler. Her bir bölünme sırasında plazmidler de çoğaltılır; ancak bu çoğaltma sırasında insülin üreten genler okunduğunda, insülin salgılanmış olur.

Bu işlemden çok miktarda insülin üretebilmek için, söz konusu bakteri veya mantarlar devasa fermentasyon kazanlarında bekletilir. Burada, hızlı bir şekilde bölünebilmeleri için ihtiyaç duydukları en optimal ortamlar onlara sağlanır: besin, ısı, koruma ve daha nicesi... Böylece adeta "bakteri besiciliği" yapılmış olur. Bakteriler ne kadar çok bölünürse, o kadar çok insülin (veya herhangi bir diğer ürün) üretilebilir.

Fermentasyon işlemi tamamlandığında, kazan filtrelenerek insülin ayrıştırılır. Sonrasında saflaştırma işlemlerinden geçirilen insülin, şişelenerek satışa hazırlanır.

Genetik Mühendisliği Tarihi

Ulusal İnsan Genomu Araştırma Enstitüsü (NHGRI) tarafından yayınlanan raporda, genetik mühendisliğinde rekombinant DNA (rDNA) kullanıldığını belirtmektedir. Rekombinant DNA, iki veya daha fazla farklı organizmadan izole edilmiş DNA'nın tek bir molekül haline getirilmesi sonucu oluşan DNA'dır.

Rekombinant DNA teknolojisi ilk olarak 1970'lerin başında geliştirildi. Yaratılan ilk genetiği değiştirilmiş ürün, 1973 yılında üretilen bir bakteriydi. 1974'te ise bu yöntem fareler üzerinde ilk kez başarıyla kullanıldı. İlk genetik mühendisliği şirketi olan Genentech ise 1976'da kuruldu. Firma, insan genomundan izole ettiği insülin genlerini E. coli bakterileri içine aktararak, yukarıda anlattığımız şekilde bakterilerin insan insülini üretmesini mümkün kıldı.

ABD Gıda ve İlaç İdaresi (FDA) tarafından onaylandıktan sonra Genentech, 1982'de rekombinant DNA yoluyla üretilen ilk ilaç olan insan insülinini üretti. İnsanlara yönelik üretilen, genetiği değiştirilmiş ilk aşı, 1987 yılında FDA tarafından onaylanan hepatit B aşısı oldu.

1980'lerden bu yana, daha çevre dostu lityum-iyon pillerden, HoneySweet Plum gibi enfeksiyona dirençli mahsullere kadar çok sayıda ürün, genetik mühendisliği sayesinde üretilmiştir. Genetiği değiştirilmiş organizmalar (GDO'lar) olarak adlandırılan ve genetik mühendisliği tarafından yapılan bu organizmalar, yukarıda da anlattığımız gibi, hastalıklara karşı daha az hassas olacak veya spesifik çevresel koşullara dayanacak biçimde üretilebilir. Bildiğimiz ilk genetiği değiştirilmiş besin örneklerine 1994 yılı civarında rastlamaktayız.

Özellikle patates, domates ve pirinç gibi bitkilerde direnci, besin değerlerini ve büyüme hızını arttırma amacıyla kullanılan genetik mühendisliği yöntemleri, hayvanlarda da kistik fibrozis hastalığını iyileştirici özellikleri olan süt üretiminde ve Alzheimer çalışmalarında yardımcı olması amacıyla üretilmiş solucanlarda kullanılmıştır. Gelin bu ilginç uygulamaya bir bakış atalım:

Alzheimer Hastalığı ve Solucanlar

C. elegans, tüm sinir sisteminde sadece 300 hücre bulunan, bu bakımdan oldukça basit yapılı bir canlıdır. Ancak bu özelliği sayesinde, Alzheimer gibi sinirsel hastalıkların nasıl geliştiğini öğrenebilmemizi sağlayan harika birer model olarak kullanılabilirler. Dahası, bu solucanlar neredeyse tamamen transparan oldukları için, sinir hücreleri yeşil floresan protein (GFP) adı verilen özel bir proteinle işaretlendiğinde, dışarıdan mikroskop altında görülebilir bir şekilde parıldarlar. Bu sayede, vücutlarının neresinde, ne tür faaliyetler gerçekleştiğini görmemiz mümkün olur.

C. elegans solucanlarının genetik malzemesini genetik mühendislik yöntemleriyle kolaylıkla değiştirebilmekteyiz. Bu sayede bu solucanların istediğimiz proteinleri üretmesini sağlayabiliriz. Bu proteinlerin sinir sistemi üzerindeki etkilerine bakarak, çeşitli hastalıklarla bu proteinlerin ilişkisini görebiliriz. İşte Alzheimer hastalığı bunlardan sadece birisidir.

İnsanlarda APP geni, Alzheimer hastalığı ile ilişkili olduğu bilinen amiloid plakların oluşumunu sağlayan proteinlerden birini kodlar. Dolayısıyla bilim insanları, Alzheimer'ın nasıl oluştuğunu tespit edebilmek adına C. elegans solucanlarına APP genini aktarmışlardır. Bir diğer deyişle uzmanlar, bu ufak solucanlara Alzheimer hastalığını "bulaştırmışlardır".

Bilim insanları, bu gen tarafından üretilen APP proteinini yeşil floresan proteinlerle işaretleyerek takip etmeyi başarmışlardır. Bu, onların son derece ilginç bir gözlem yapmasını mümkün kılmıştır: APP ile temas eden hücrelerin hepsi, solucanın yaşı ilerledikçe daha çabuk ölmüştür.

Bundan yola çıkan uzmanlar, APP proteininin Alzheimer'daki rolünü daha iyi anlayarak, bu süreci yavaşlatacak ve hatta durduracak yöntemler üzerinde çalışmaya başlamışlardır. Bu sayede her geçen gün Alzheimer hastalığının nihai tedavisine bir adım daha yaklaşabilmekteyiz.

Genetik Mühendisliği Korkuları da Tetikledi!

Tüm bu faydalı sonuçlarına rağmen birçok insan genetik mühendisliğinin tehlikeli olduğunu düşünmektedir. Bunu tetikleyen nedenlerden birisi, 1997 yılında, sırtında insan kulağına benzer bir kulak üretilen bir farenin fotoğrafıdır.

Bu fotoğraf genetik mühendisliği kullanımına karşı tepki oluşmasına neden oldu. Halbuki gösterilen tepkiler tamamen yersizdi; çünkü sonradan anlaşıldığı üzere bu fare, aslında genetik mühendisliği yoluyla üretilmiş değildi! Dahası, sırtındaki kulak da insan hücreleri veya genleri kullanılarak üretilmiş bir kulak değildi!

Ulusal Bilim Vakfı'nın bu konuyla ilgili yaptığı açıklamaya göre kulak, laboratuvarda kıkırdak dokusu üretiminin yeni bir yolunu göstermek amacıyla, 3 yaşındaki bir kulağın farenin derisinin altına, biyolojik olarak parçalanabilen bir ağdan yapılmış bir kulak kalıbının implante edilmesiyle üretilmişti. Farenin genlerine dokunulmamıştı bile!

Buna rağmen, bu tarz fotoğraflar ve benzerleri, genetik mühendisliğiyle yapılabileceklere yönelik korkuları körüklemek için paylaşılmaya devam edilmektedir.

Organik Tarımda Genetik Mühendisliği: Hassas Üreme

Genetik mühendisliği ile bir veya daha fazla genin doğrudan manipülasyonu mümkündür; ancak DNA'yı değiştirmenin yollarından bir diğeri, seçici üremedir. Bu, evrimin doğal seçilim adı verilen meşhur mekanizmasının insan kontrolünde yönlendirilmesidir. Evrimsel biyolojide buna yapay seçilim adı verilmektedir.

Seçici üreme yöntemlerinden biri olan hassas üretme (İng: "precision breeding"), bir türün yavrularının istenen özelliklere sahip olmasını garanti etmeyi hedefler. Bunu sağlamak için organik tarım uzmanları, birbiriyle çiftleşen bitkileri yakından takip ederler ve istemedikleri özelliklere sahip olan yavruları büyüyemeden elerler. Bu sayede evrim, çok daha hızlı bir şekilde yaşanır ve türler, insanların istediği yönde değişirler. Yani genetik mühendisliği, aslında organik tarımda da uzun bir süredir kullanılmakta olan bir yöntemdir.

Hassas üreme kullanımının en güncel örneklerinden birisi, yeni bir pirinç çeşidinin oluşturulmasıdır. Çin'deki pirinç mahsullerinin yok edilmesi sorununu çözmek için, California-Davis Üniversitesi'nde bitki patolojisi profesörü olan Pamela Ronald, sel altında kalmaya daha dayanıklı bir pirinç tohumu suşu geliştirmiştir.

Mali'ye özgü olan vahşi bir pirinç türünü kullanan Ronald, Sub1 adlı bir geni keşfetmiştir. Normalde su altında 3 günden fazla yaşayamayan pirinç çeşitlerine aktarılan bu gen, pirinçlerin su altında 17 gün kalsalar bile hayatta kalabilmelerini sağlamaktaydı.

Ronald, yeni ve daha güçlü olan bu pirinç çeşidine Xa21 suşu adını verdi. Araştırmacılar bu suşun, halihazırda piyasada bulunan herbisite ve böceklere dayanıklı soya, pamuk ve mısır da dahil olmak üzere dünya çapında ticari olarak yetiştirilen diğer GDO'ların saflarına katılması için uğraşmaktadırlar. Dünya'nın en büyük pirinç üreticisi ve tüketicisi olan Çin'deki çiftçilerin, ailelerinin yaşamını sürdürmesini mümkün kılmasının tek yolu yeterli miktarda mahsul toplamak olduğu için, bu durum kelimenin tam anlamıyla bir ölüm kalım meselesidir. Bu teknolojiler ise, bu dengenin "kalım"dan yana kaymasını mümkün kılmaktadır.

Ronald, genetik mühendisliği yerine hassas ıslah kullandığı için, ürettiği pirincin genetik mühendisliği karşıtları arasında da kabul göreceğini umuyor. Ronald, New York'ta düzenlenen bir Dünya Bilim Festivali sunumunda şöyle diyor:

Çiftçiler, sel toleransı nedeniyle verimde üç ila beş kat artış yaşadılar. Bu pirinç, genetik biliminin yoksul insanların yaşamlarını iyileştirmek için nasıl kullanılabileceğini göstermektedir.

Genetik mühendisliği sadece beslenme konusunda değil, aynı zamanda insanın Dünya-ötesi geleceği açısından da büyük öneme sahiptir: Uzmanlar, Dünya dışında yaşama adapte olmamızın en önemli yollarından birinin doğrudan doğruya genetik mühendisliğini kullanarak genlerimizi değiştirmek olduğunu düşünüyor. Daha şimdiden insanlar üzerinde bazı genetik değişimler yapıldı!

Bu nedenle korkularımızı bir yana koymalı, potansiyel tehditleri ve etik sorunları görmezden gelmemeli, ancak bilimi de durmaksızın geliştirmeyi sürdürmeliyiz.