Moleküler Biyoloji ve Genetik Ne İş Yapar?

Moleküler biyoloji, canlılardaki biyolojik süreçlerin moleküler temellerini inceler ve özellikle DNA, RNA ve proteinlerin yapı ve işlevlerine odaklanır. Genetik mühendisliğiyle geliştirilen yeni teknikler, biyolojinin çeşitli alanlarında moleküler düzeyde ilerlemelere yol açmıştır. Bu bilim dalı, nükleik asitler, proteinler ve enzimlerin yapısını aydınlatmaya çalışarak biyolojik bilimleri bütünleştirir. Son yıllarda gelişen yöntemlerle hastalıkların nedenleri daha iyi anlaşılmış ve biyoteknoloji ile biyonik alanlarında önemli adımlar atılmıştır. DNA mikroçipleri ve gerçek zamanlı PCR gibi teknikler, gen ifadesinin incelenmesini mümkün kılmıştır.

Moleküler Biyoloji ve Genetik Nedir?

Moleküler biyoloji, özellikle kalıtımın ve protein sentezinin moleküler temelleri olmak üzere biyolojik süreçlerle ilişkili moleküllerin ve makromoleküler sistemlerin yapı ve işlevlerinin incelenmesidir.

Bu bağlamda moleküler biyoloji ve genetik, canlı sistemlerdeki evrensel makromoleküller olan DNA, RNA ve proteinlerin hedef alınarak incelendiği bir bilim dalı olarak öne çıkmış ve son yıllarda genetik mühendisliği ile geliştirilen pek çok yeni teknikle işlev kazanarak, biyolojinin genetik, biyokimya, mikrobiyoloji, botanik, zooloji, ekoloji, hücre biyolojisi ve biyofizik gibi pek çok anabilim dalında moleküler seviyede ilerleme sağlanmasına neden olmuştur. Biyolojik bilimleri bütünleştirici özelliğe sahiptir. Moleküler biyolojinin bu bağlayıcı özelliği, temel ilgi alanı olarak canlı organizmalarda hayati önemleri olan nükleik asitler, proteinler ve enzimlerin yapılarının tamamen aydınlatılması üzerine odaklanmasından kaynaklanır.

Bugünlerde moleküler biyoloji ortaya çıkan yeni yöntemlerin yardımıyla hızlı bir gelişme sürecine girmiş ve hem hastalıkların gerçek nedenleri anlaşılmaya başlanmış hem de biyoteknolojik ve biyonik gelişmelerin yolu açılmıştır. DNA mikroçipleri ile genlerin ifade profillerinin incelenmesi olası hale gelmiş, gerçek zamanlı  PCR ile gen ifadesinin incelenebilmesine olanak vermiştir.

Birçok hücre türünün kültüre edilmesi genetik hayvan deneylerinde hangi genetik etkenlerin hangi sorunlara yol açtığını anlamayı kolaylaştırmıştır. Rekombinant DNA teknolojileri ile canlılar arası gen transferi mümkün olmuş ve birçok alanda yeni ürünlerin üretilme yolu açılmıştır. Kök hücre ve transgenik hayvan modellerindeki çalışmalar birçok hastalığın tedavisi için umut vermektedir.

Moleküler biyoloji ve genetik mühendislerinin yaptığı işlerin neredeyse sınırı yok gibidir. Tüp bebek tedavileri, ilaç araştırma ve geliştirme, kök hücre tedavileri, genetik kök araştırmaları, üniversitelerde öğretim üyesi veya araştırma görevlisi, tıbbi cihaz geliştirme, adli tıp laboratuvarlarında görev almak gibi işleri yapmaktadırlar. Ayrıca tıbbi kuruluşlarda yönetim kadrosunda görev alabilirler. Laboratuvar denetlemelerinde görev alarak işleyişin ve cihazların kontrolünde görevlendirilebilirler. Bitki, hayvan genetiklerinin inceleme çalışmalarında bulunabilirler. Bu sayılan iş kollarının dışında daha birçok iş yapabilmektedirler.

Moleküler Biyolojinin Başlıca Konuları

• DNA Replikasyonu
• Transkripsiyon
• Translasyon
• Gen İfadesinin Düzenlenmesi

DNA Replikasyonu

DNA replikasyonu veya DNA ikileşmesi, tüm organizmalarda meydana gelen ve DNA kopyalanarak kalıtımın temelini oluşturan biyolojik bir süreçtir. Süreç, bir adet çift iplikli DNA molekülüyle başlar ve iki özdeş DNA’nın oluşumuyla son bulur. Orijinal çift iplikli DNA’nın her ipliği (tamamlayıcı ipliğin üretiminde yarı korunumlu replikasyon olarak adlandırılan bir süreç) kalıp görevi görür. Hücresel proofreading ve hata kontrol mekanizmaları replikasyonun neredeyse hatasız gerçekleşmesini sağlar.

Moleküler biyoloji ve genetik mühendislerinin günümüzde yaptığı araştırmalar sonucu, aynı tip hücrelerde DNA’nın kimyasal özelliğinin ve toplam miktarının nesilden nesile değişmeden aktarıldığı bilinmektedir. Buna göre DNA’nın tüm özellikleri aynı ata hücreden gelen benzer hücrelerde aynı kalmak zorundadır. Bu yüzden ister prokaryotik ister ökaryotik olsun her bir hücre mitoz bölünmeye hazırlanırken, DNA’lar kural olarak tüm uzunlukları boyunca bir ucundan diğer ucuna doğru kendilerini ikiler.

DNA Replikasyonu Aşamaları

1. Başlama : DNA çift sarmalı, “replikasyon orijini” adı verilen özel bölgelerden açılır ve bir replikasyon çatalı oluşur.
2. Uzama: DNA polimeraz adı verilen bir enzim, her bir orijinal DNA ipliğine tamamlayıcı nükleotitler ekleyerek yeni iplikler oluşturur.
3. Sonlanma: DNA molekülünün tamamı kopyalandığında replikasyon sona erer ve iki özdeş DNA molekülü oluşur. Her bir molekül, bir orijinal iplik ve bir yeni sentezlenmiş iplik içerir. Buna yarı korunumlu replikasyon denir.

Transkripsiyon

Transkripsiyon, genomikle ilgili olarak, bir genin DNA dizisinin bir RNA kopyasını yapma sürecidir. Haberci RNA (mRNA) adı verilen bu kopya, genin DNA’da kodlanmış protein bilgisini taşır. İnsanlarda ve diğer karmaşık organizmalarda, mRNA hücre çekirdeğinden hücre sitoplazmasına hareket eder ve burada kodlanmış proteini sentezlemek için kullanılır.

Transkripsiyon Aşamaları

1. Başlatma: Başlatma, transkripsiyonun başlangıcıdır. RNA polimeraz enzimi promotör adı verilen bir gen bölgesine bağlandığında gerçekleşir. Bu, DNA’ya gevşemesini bildirir, böylece enzim DNA zincirlerinden birindeki bazları ”okuyabilir”. Enzim artık tamamlayıcı bir baz dizisine sahip bir mRNA zinciri yapmaya hazırdır.
2. Uzatma: Uzatma, mRNA ipliğine nükleotidlerin eklenmesidir. RNA polimeraz, çözülmüş DNA ipliğini okur ve tamamlayıcı baz çiftlerini kullanarak mRNA molekülünü oluşturur. Bu işlem sırasında, DNA’daki adenin (A) nükleotidi, RNA’da karşılık gelen urasil (U) nükleotidi ile eşleşir.
3. Sonlandırma: Terminasyon, transkripsiyonun sonlanmasıdır ve RNA polimerazı 
   gendeki bir durdurma (terminasyon) dizisini geçtiğinde meydana gelir. mRNA zinciri tamamlanır ve DNA’dan serbest bırakılır.

Translasyon

Translasyon, genomikle ilgili olarak, haberci RNA’da (mRNA) kodlanan bilginin protein sentezi sırasında amino asitlerin eklenmesini yönlendirdiği süreçtir. Çeviri, hücre sitoplazmasındaki ribozomlarda gerçekleşir; burada mRNA okunur ve sentezlenen proteini oluşturan amino asit zincirleri dizisine çevrilir.

Gen İfadesinin Düzenlenmesi

Gen ifadesi, moleküler biyoloji ve genetiğin incelediği transkripsiyon ve translasyon süreçleri sırasında gen bilgisinin okunmasıyla belirlenir. Transkripsiyon ürünü mRNA’dır ve translasyon ürünü bir proteindir. Tüm genler protein kodlamazlar, bu da transkripsiyona uğrayabilecekleri ancak mRNA’larının çevrilmediği anlamına gelir. Her iki süreç de ardışık aşamalarda gerçekleştirilir, bu da aralarındaki sınırın belirlenmesini zorlaştırır. Dahası, her biri, süreç ilerledikçe alt birimlerin işe alındığı veya bunun yerine işlevlerini yerine getirdiklerinde serbest bırakılıp başkaları tarafından değiştirildiği çoklu protein kompleksleri içerir. Transkripsiyon, translasyon ve bunların düzenleyici mekanizmaları, moleküler yapıların, bileşikler arasındaki etkileşimlerin ve ilişkilerin kalıcı olarak tanınmasını ve gerçek iletişim kodlarını oluşturan sinyallerin tanımlanmasını gerektirir.

Genetik nedir?

Genetik, genlerin etkileşimi, DNA varyasyonu ve çevresel faktörlerle etkileşimleri de dahil olmak üzere kalıtımın incelenmesiyle ilgilenen biyoloji dalıdır.

Genetik hem bir disiplin hem de bir araştırma aracıdır. Bir araştırma aracı olarak genetik, dünyadaki tüm yaşamı birleştiren ortak bağın, DNA molekülünün tanımlanmasını ve okunmasını sağlamıştır. Bir disiplin olarak genetik, yaşamın çoklu süreçlerini keşfetmek için ortak bir çerçeve ve araç takımı sağlayarak ve çok sayıda farklı alandaki araştırmacıların genlerin tanımlanması ve DNA dizilerinin yorumlanması yoluyla bilgi paylaşmasına olanak tanıyan ortak bir terminoloji sağlayarak biyolojik ve biyomedikal bilimleri birleştirmiştir.

Genler, organizmaların yaşam sürecini ve biyolojik özelliklerini düzenler. Her bir gen, belirli bir özellik veya işlevin kodlanmasından sorumludur. Örneğin, saç rengi, göz rengi, boy, cilt tonu gibi fiziksel özelliklerimiz genlerimiz tarafından belirlenir. Ayrıca, bazı genler hastalıklara yatkınlığı veya bağışıklık sistemimizin etkinliğini de etkileyebilir.

Genler ayrıca hücrelerin büyümesi, bölünmesi ve özel işlevlerini yerine getirmesi için gerekli olan proteinleri üretir. Proteinler, hücrelerin yapı taşlarıdır ve birçok biyokimyasal reaksiyonda görev alır. Enzimler, antikorlar, hormonlar ve yapısal proteinler gibi çeşitli protein türleri, genler tarafından kodlanır ve hücrelerde sentezlenir.

Genlerin hastalıklarla ilişkisi oldukça önemlidir. Bazı hastalıklar, genetik mutasyonlar veya değişiklikler sonucunda ortaya çıkar. Genetik hastalıklar, genlerdeki anormallikler nedeniyle bir kişinin sağlığını etkileyen rahatsızlıklardır. Bu hastalıklar, bir kişinin doğuştan sahip olduğu genetik yapıdan kaynaklanabilir veya hayatları boyunca oluşabilir.

Genetikle ilgili araştırma ve çalışma yapan bilim insanları genetik mühendisleridir. Genetik mühendisliği (genetik modifikasyon olarak da adlandırılır), bir organizmanın DNA yapısını değiştirmek için laboratuvar tabanlı teknolojiler kullanan bir işlemdir. Bu, tek bir baz çiftini (AT veya CG) değiştirmeyi, bir DNA bölgesini silmeyi veya yeni bir DNA segmenti eklemeyi içerebilir. Örneğin, genetik mühendisliği, istenen bir özelliği üretmek için farklı bir türe ait bir organizmaya bir türden bir gen eklemeyi içerebilir. Araştırma ve endüstride kullanılan genetik mühendisliği, kanser terapilerinin, bira mayalarının, genetiği değiştirilmiş bitkilerin ve hayvanların ve daha fazlasının üretiminde uygulanmıştır.

Moleküler Biyoloji ve Genetik Hangi Alanlarda Çalışır?

Moleküler biyoloji ve genetik, biyolojik süreçleri yönlendiren moleküler ve genetik mekanizmalar üzerine yoğunlaşan birçok bilimsel ve tıbbi alanda çalışır. İşte bu disiplinlerin çalıştığı başlıca alanlar:

Tıp Ve Sağlık

• Hastalık Teşhisi: Moleküler biyoloji ve genetik, genetik mutasyonlar ve moleküler yolların anlaşılması, virüs, kanser, diyabet ve genetik hastalıkların teşhis edilmesine yardımcı olur.
• Gen Terapisi: Genetik hastalıkları tedavi etmek için hatalı veya hasta genlerin, sağlıklı genlerle değiştirilmesidir.
• Kişiye Özel Tıp: Moleküler biyoloji ve genetik mühendislerinin, bireylerin genetik profiline dayalı olarak tedavilerin kişiselleştirmesidir. Kullanılan ilaçların ilaç etkinliğini artırır ve yan etkileri azaltır.
• Farmakogenomik: Genetik varyasyonların ilaçlara nasıl yanıt verdiğini inceleyen alandır.

Kanser Hastalıkları

• Moleküler Onkoloji: Moleküler biyoloji ve genetik mühendislerinin kanserin gelişmesine neden olan genetik mutasyonları ve moleküler yolları araştırarak hedefe yönelik tedavilerin geliştirilmesidir.
• Hedefe Yönelik Tedavi: Kanser hücrelerinin genetik yapısına göre özel olarak tasarlanan ilaçlar.

Biyoteknoloji ve Genetik Mühendisliği

• CRISPR ve Genom Düzenleme: Genlerin işlevini incelemek veya genetik hastalıklar için tedaviler geliştirmek amacıyla genom düzenleme teknikleridir.
• Genetiği Değiştirilmiş Organizmalar (GDO): Moleküler biyoloji ve genetik mühendislerinin tarım, araştırma veya endüstriyel kullanım için belirli özelliklere sahip organizmalar yaratması işlemidir. Örneğin, daha büyük ve daha sulu meyveler yetiştirilebilir.
• Sentetik Biyoloji: Tıp, tarım, endüstri ve enerji alanlarında kullanılmak üzere biyoteknoloji ve genetik mühendislerinin yeni biyolojik parçalar veya sistemler tasarlaması ve inşa etmesi.

Enfeksiyon Hastalıkları

• Aşı Geliştirme: Moleküler biyoloji ve genetik mühendisleri virüs, amip, bakteri ve organizmaların genetik yapısını inceler ve aşı geliştirirler.
• Patojen Genomikleri: Virüsler ve bakteriler gibi patojenlerin genomlarını inceleyerek evrimlerini izlemek ve tedavileri iyileştirmektir.

Gelişimsel Biyoloji

• Kök Hücre Araştırmaları: Moleküler biyoloji ve genetik mühendislerinin, hücre gelişimini düzenleyen genetik ve moleküler süreçleri inceleyerek rejeneratif tıp için önemli bilgiler sağlamasıdır.
• Doku Mühendisliği: Nakil veya onarım için yeni dokuların genetik ve moleküler araçlarla büyütülmesi.

Sinirbilim

• Nörogenetik: Alzheimer, Parkinson ve otizm gibi nörolojik bozuklukların genetik temelini inceleyen alan.
• Beyin Gelişimi: Beynin gelişimi ve işlevini kontrol eden genler ve moleküler yolların anlaşılması.

Tarım ve Gıda Bilimi

• Ürün Geliştirme: Moleküler biyoloji ve genetik mühendislerinin genetik modifikasyon kullanarak hastalıklara, zararlı organizmalara ve çevresel koşullara daha dayanıklı bitkiler geliştirme.
• Hayvan Yetiştiriciliği: Verimlilik ve hastalıklara direnç açısından genetik ilkeleri hayvancılıkta ve balıkçılıkta uygulama.

Çevre Bilimi

• Koruma Genetiği: Moleküler biyoloji ve genetik mühendislerinin nesli tükenmekte olan türlerin genetik çeşitliliğini inceleyerek koruma stratejileri geliştirmesidir.
• Biyoremediasyon: Çevre kirleticilerini temizlemek için genetiği değiştirilmiş organizmaların kullanılması.

Adli Bilimler

• DNA Profilleme: Moleküler biyoloji ve genetik suç soruşturmaları, babalık testleri ve kalıntıların tanımlanması için teknikler kullanarak suçluların yakalanmasına katkı sağlar.

Evrimsel Biyoloji

• Moleküler Evrim: Moleküler biyoloji ve genetik, genetik değişikliklerin evrim ve adaptasyonu nasıl yönlendirdiği hakkında araştırma yapar.
• Popülasyon Genetiği: Popülasyonlardaki genetik varyasyonu inceleyerek evrimsel süreçlerin anlaşılmasına katkı sağlar.

Epigenetik

• Gen İfadesinin Düzenlenmesi: Çevresel faktörlerin DNA dizilimini değiştirmeden gen ifadesini nasıl etkilediğini inceleme, bu çalışmalar yaşlanma, kanser ve gelişimsel bozukluklarla ilgilidir.