Biyoteknolojideki ekstremofiller - Extremophiles in biotechnology

Termos aquaticus . Taq Polimerazın izole edildiği termal göllerde bulunan termofilik bakteriler.

Biyoteknolojideki ekstremofiller, ekstrem ortamlarda gelişen organizmaların biyoteknolojiye uygulanmasıdır .

Ekstremofiller , gezegendeki en değişken ortamlarda gelişen organizmalardır ve yetenekleri sayesinde biyoteknolojide büyük bir rol oynamaya başlamışlardır. Bu organizmalar, yüksek asitli veya tuzlu ortamlardan, sınırlı veya oksijensiz alanlara kadar her yerde yaşarlar, ev olarak adlandırdıkları yerlerdir. Bilim adamları, nadir veya garip yeteneklere sahip organizmalara büyük ilgi gösteriyor ve son 20-30 yılda ekstremofiller, yeteneklerini araştıran binlerce araştırmacıyla ön saflarda yer aldı. Bu organizmalarla ilgili en çok konuşulan, araştırma ve geliştirmenin yapıldığı alan biyoteknolojidir. Dünyanın dört bir yanındaki bilim adamları ya genomları değiştirmek için DNA'yı çıkarıyorlar ya da görevleri tamamlamak için doğrudan ekstremofilleri kullanıyorlar. Bu organizmalara olan ilgi ve keşif sayesinde, PCR'de kullanılan enzimler bulundu ve bu da DNA'nın laboratuvarda hızlı bir şekilde replikasyonunu mümkün kıldı. Ön plana çıktıklarından beri araştırmacılar, yeni özelliklerin ve yeteneklerin daha ileri biyoteknik ilerlemeler için kullanılabileceği umuduyla genom verilerinin veritabanlarını biriktiriyorlar. biyoteknoloji alanı. Her biri farklı bir ortamı destekleyen birçok farklı ekstremofil türü vardır. Bu organizmalar, genomları ortaya çıktıkça biyoteknoloji için giderek daha önemli hale geldi ve bol miktarda genetik potansiyel ortaya çıktı. Şu anda ekstremofillerin ana kullanımları PCR, biyoyakıt üretimi ve biyomadencilik gibi süreçlerde yatmaktadır, ancak oyunda daha birçok küçük ölçekli operasyon vardır. Ekstremofillerle ne yapmak istediklerini belirleyen, ancak hedeflerine tam olarak ulaşamayan laboratuvarlar da var. Bu büyük ölçekli hedeflere henüz ulaşılmamış olsa da, bilim topluluğu yeni teknolojiler ve süreçler yaratma umuduyla bunların tamamlanması için çalışıyor.

Ekstremofillere genel bakış

Termofilik ekstremofillerin geliştiği termal göl.

Extremophile, son derece elverişsiz ortamların nişlerini doldurmak için evrimleşmiş , en belirgin olarak Arkeanlar olmak üzere büyük bir organizma grubunu kapsayan terimdir . Bu tür ortamlar arasında yüksek veya düşük sıcaklıklar, yüksek tuzluluk seviyeleri, yüksek veya düşük pH seviyeleri ve uçucu kimyasalların öne çıktığı alanlar bulunur. Bu organizmalar, gezegendeki en istenmeyen yerlerden bazılarını evleri haline getirdi. Bu konumların birkaç örneği, okyanusun dibindeki termal menfezleri, soda göllerini, kimyasal fabrikalardan gelen akışları ve çöplüklerin çöp yığınlarını içerir.

4 ana ekstremofil türü vardır:

termofiller

Termofilik ekstremofiller, okyanusun dibindeki jeotermal menfezlerin en iyi örneği olan aşırı sıcak bölgelerde yaşarlar. Bu organizmaların yararı, yüksek derecede termostabil oldukları için içlerinde üretilen polimerler ve enzimlerde yatmaktadır.

halofiller

Halofilik ekstremofiller, güneş tuzlaları ve soda gölleri gibi yüksek tuzluluk alanlarında yaşarlar. Bu tür tuzluluk alanlarında tüketme ve gelişme yetenekleri, büyümelerine yardımcı olmak için tuz bakımından zengin topraklara ekin aşılamak gibi olası faydaları ortaya çıkarır. Onlar için bulunan başka bir kullanım, biyolojik olarak parçalanabilen plastikler yapmak için kullanılan polimerlerin üretiminde yatmaktadır.

metanojenler

Metanojenik ekstremofiller hemen hemen her yerde yaşar ve en yaygın olanlarıdır. Bu organizmalar çeşitli basit organik bileşikler alır ve bunları enerji kaynağı olarak metanı sentezlemek için kullanır. Metan sentezini bir enerji üretimi şekli olarak kullanan bilinen başka bir organizma yoktur.

psikrofiller

Psikrofilik Ekstremofiller, 0°C'ye kadar düşük sıcaklıklarda bile yüksek büyüme oranlarını ve enzim aktivitesini koruma yeteneğine sahiptir. Bu, termofilik organizma enzimlerinin nasıl kullanıldığına paralel olarak, ancak yüksek sıcaklıkların aksine düşük sıcaklıklarda bu organizmalarda bulunan enzimlerin kullanılması olasılığını sunar.

Böylesine zorlu bir ortamda yaşayabilmek, organizmaların genomlarına kodlanmış olan özelliklerinden ve yeteneklerinden gelir. Zaman içinde DNA yoluyla miras alınan değişiklikler, bu organizmaların evlerinin uçucu doğasına karşı çeşitli dirençler ve bağışıklıklar oluşturmasına izin verdi. Bilim adamlarını ekstremofillere bu kadar sabitleyen bu özelliklerdir, çünkü söz konusu yeteneklere izin veren genler ekstremofillerden alınabilir ve çeşitli biyoteknik işlemlerde kullanılabilir. Buna iyi bir örnek, Taq Polymerase'in Thermus aquaticus bakterisinden nasıl izole edildiği ve daha sonra PCR sürecini mümkün kılmak için nasıl kullanıldığı olabilir. Bazı durumlarda, doğadaki işlevi nedeniyle tüm organizma bile kullanılabilir. Buna iyi bir örnek, atığın ayrışmasına yardımcı olmak için metanojenik ekstremofillerin kullanılması olabilir. Yukarıda sadece dört ana ekstremofil türü listelenmiş olsa da, bu makalede bahsedilmeyen daha birçok tür vardır.

Önem

DNA sentezleyen biyoteknik laboratuvardaki bilim adamları.

Laboratuvarlarda gerçekleştirilen çok sayıda biyolojik ve kimyasal işlem çok uzun zaman alır, son derece hassastır ve maliyetli olma eğilimindedir. Bunun nedeni, genel biyolojik enzimlerin, proteinlerin ve diğer çeşitli organik bileşiklerin düzgün çalışması için çok özel gereksinimleri olmasıdır. Bunlar genellikle orta dereceli durumlardır ve bu nedenle mezofilik olarak bilinirler. Sıcaklık, tuzluluk veya asitlikteki değişiklikleri içeren katalizörler, belirli bir süreç içindeki mezofilik organik bileşikleri ve ürünleri etkileyebilir ve bu da sonucu olumsuz yönde etkileyebilir. Bununla başa çıkmak için geçmişte bilim adamları, ılımlı koşulları karşılamak için daha uzun deneysel yollar kullanmak zorunda kaldılar. Bu, daha önce belirtildiği gibi, deneyleri ve süreçleri gerçekleştirmek için gereken süreyi uzatır ve maliyetleri artırır.

Bu sorunun üstesinden gelmek için bilim adamları, aşırı koşullarla başa çıkmak için doğal yetenekleri nedeniyle ekstremofillere yöneldiler. Bu yetenekler, laboratuvarda izole edilebilen, ekstrakte edilebilen ve kopyalanabilen genlerle bağlantılıdır. Bununla, genetik bilgi daha sonra verilen enzimlere, polimerlere, proteazlara ve diğer çeşitli organik bileşiklere istenen direnci vermek için implante edilebilir. Bu, dikkatli, uzun soluklu stratejiler atlanabileceğinden biyolojik ve kimyasal işlemlerin hızla tamamlanmasını sağlar. Hem kendileri hem de DNA'ları olan ekstremofiller, bilim insanlarının uzun araştırma tekniklerini ve süreçlerini optimize etmelerine yardımcı oluyor.

Uygulamalar

PCR

Polimeraz zincir reaksiyonu (PCR) ile 1980'lerde geliştirilmiş Kary Mullis . Mullis daha sonra 1993'te bu işlemi yarattığı için Nobel Ödülü'nü alacaktı. PCR , belirli DNA ipliklerinin kopyalarını hızlı ve verimli bir şekilde yapmak için termofil T. aquaticus'ta bulunan ısıya dayanıklı enzimlerden birini kullanır . Hedef DNA'nın küçük numunesi, DNA primerleri, DNA nükleotidleri, Taq polimeraz ve bir tampon çözeltisi ile birlikte bir test tüpüne eklenir. Bu beş anahtar parça birleştirildiğinde, bir PCR termocycler'a yerleştirilebilirler. Bu cihazda karışım, tekrar tekrar 94-95°C, 50-56°C ve 72°C arasında değişen bir dizi sıcaklığa maruz bırakılır. Bu üç aşama, denatüre etme, tavlama ve uzatma aşamaları olarak bilinir. 94-95 °C'de denatüre etme aşamasında DNA zincirleri yeni bağların yapılmasına izin vererek ayrılır. Daha sonra tavlama aşamasında 50-56°C'lik primerler DNA'nın tek iplikçiklerine bağlanarak onları replikasyona hazırlar. Son olarak, 72°C'deki uzama aşaması, çift sarmallı sarmalı yeniden oluşturacak şekilde DNA nükleotidleri eklendikçe, doğal olarak yapacakları gibi DNA iplikçikleri çoğalır. Bu aşamalar, istenen miktarda DNA elde edilene kadar birçok kez tekrarlanır. T. aquaticus tarafından üretilen Taq polimeraz enzimi olmadan, bileşenler normalde bu kadar yüksek sıcaklıklarda denatüre olacağından bu işlem mümkün olmazdı.

Biyoyakıt üretimi

Yakıtlar, araba kullanmaktan ve evleri ısıtmaktan büyük ölçekli endüstriyel işlemlere ve ağır makinelere kadar her şeyde günlük yaşamda büyük bir rol oynar. Doğal gazlar ve yakıtlar tükenirken, bilim adamları bakışlarını söz konusu yakıtların olası ikamelerine odakladılar. Bunu yapmanın bir yolu, çeşitli metanojenik ve termofilik bakteri türlerinin kullanılmasıdır. Bu ekstremofiller büyük miktarlarda metan, bütanol ve biyodizel üretmek için şekerler, selüloz ve çeşitli atık ürünler gibi çeşitli maddeleri alabilirler. Yüksek yüzdelerdeki bütanol normalde biyolojik organizmaların büyümesini ve işlevini engellerken, başta termofiller olmak üzere bazı bakteri suşları, yüksek konsantrasyonlarda bile bütanolü işlemek üzere tasarlanmıştır. Bu alandaki en yeni gelişmelerden biri, biyodizel üretmek için kullanılabilecek ekstremofil alg suşlarının keşfidir. Cyanidium caldarium , oluşturduğu biyodizel ürünlerinin yüksek lipid içeriği nedeniyle en umut verici türlerden biri olarak belirtilmektedir. Bu uygulama henüz geniş çapta kullanım için geniş çapta geliştirilmemiş olsa da, bu alanda çalışan bilim adamları yakında ekstremofilleri içeren verimli ve sürdürülebilir bir çözüm bulmayı umuyorlar.

biyomadencilik

Çeşitli ekstremofillerle çalışılarak biyomadencilik tekniği geliştirildi. Biyoliç olarak da bilinen süreç, topraktan çıkarıldıklarında çeşitli metallerden çözünmeyen sülfitlerin ve oksitlerin uzaklaştırılmasında asidofillerin kullanımını içerir. Normal yığın liçi işlemi, madenden çıkarılan metallerin siyanür gibi oldukça uçucu kimyasallarla karıştırılmasını içerir. Biyoliç süreci, madencilik sürecine daha güvenli bir yaklaşım olarak belirtilmektedir. Bununla birlikte çevre için de çok daha iyidir. Yığın liçi ile birlikte, zemine sızarken çevreyi zehirleyecek akış ve dökülme olasılığı ortaya çıkar. Biyomadencilik ile bu endişe, termofilik ve asidofilik bakteri türleri kullanılarak koşullar kolayca korunabildiğinden azaltılır. Bu işlem sadece daha güvenli ve daha çevre dostu olarak görülmekle kalmıyor, aynı zamanda daha fazla metal çıkarabiliyor. Yığın liçi yaklaşık %60 ekstraksiyon oranına sahipken, biyolojik liç %90'a varan oranlar görmüştür. Şimdiye kadar altın, gümüş, bakır, çinko, nikel ve uranyum bu işlem kullanılarak başarıyla çıkarıldı.

Yukarıda listelenen bu üç örnek, ekstremofillerin biyoteknolojideki başlıca uygulamalarından birkaçıdır, ancak sadece bunlar değildir. Burada tam olarak açıklanmayacak olan diğer çeşitli uygulamalar şunları içerir: karotenoid üretimi, proteaz/lipaz üretimi, Glikosil hidrolaz üretimi ve şeker üretimi. Bu ikincil uygulamalar, yukarıda sıralananlar gibi birincil uygulamalarda kullanılabilen biyolojik bileşiklerin üretimine odaklanır.

Gelecekteki gelişmeler

Ekstremofillere artan ilgi sayesinde devrim niteliğindeki PCR tekniğine öncülük edildi ve DNA çalışması alanını bir sonraki seviyeye taşıdı. Bu eğilimi takip eden hem biyoteknoloji hem de endüstrideki bilim adamları, daha ileriye gitmek ve bilim camiasını etkilemek için yeni yollar bulmak istiyorlar. Halihazırda araştırılmakta olan bir yol, günümüzün yağ bazlı plastiklerinin geçmişte kalması için halofil ekstremofiller tarafından plastiklerin üretilmesidir. Bu, biyolojik olarak parçalanabilen plastikleri, uzun vadede dünyanın çöp sorunuyla savaşmanın bir yolu olarak önerilen dünya pazarına getirecektir. Bilim adamlarının bu organizmaları kullanarak yapmayı umdukları bir diğer gelişme, orada bulunan organik bileşikler üzerinde gelişen metanojenik türleri kullanarak dünya genelindeki çöplüklerin bozulmasını artırmaktır. Bu sadece atıkları azaltmakla kalmayacak, üretilen metan gazının da toplanıp bir enerji kaynağı olarak kullanılması umulmaktadır. Gelecekteki bir başka ilginç gelişme de tıp alanında yatıyor. Bazı biyoteknik laboratuvarlar, bağışıklık sistemi tepkilerini ortaya çıkarmak için yüzeylerinde virüs parçaları üretmek üzere tasarlanmış ekstremofilleri kullanmayı araştırıyor. Bu, söz konusu virüsün saldırması durumunda vücudu savunmak için bağışıklık belleğini ve antikor tepkisini eğitmeye yardımcı olacaktır. Bu sadece bir avuç örnek olsa da, daha iyi bir gelecek yaratma umuduyla ekstremofilleri kullanma konusunda üzerinde çalışılan daha birçok ilerleme ve gelişme var.

Referanslar

daha fazla okuma