Gen izolasyonu, genlerin yapısı ve işlevi hakkında önemli bir role sahiptir. Araştırmacılar, PCR ve gen ifade analizi gibi teknikler aracılığıyla genleri izole etmeyi başarmış ve bu genler incelemeyi başarmıştır. Gen izolasyonu günümüzde bilimin en önemli ilerlemelerinden biri hâline gelmiş, bu sayede gen terapisinin geliştirilmesinde, genetik bozuklukların tedavisinde tıpta ve biyoteknoloji alanlarında vazgeçilmez olmuştur.
Tavsiye Bağlantı: Epigenetik Nedir? Epigenetik Nasıl Çalışır?
Gen İzolasyonu Nedir?
Gen izolasyonu, bir organizmanın DNA’sından belirli bir genin tanımlanmasını ve çıkarılmasını anlamına gelir. Collins Dictionary’nin yaptığı tanıma göre bu terim, “fiziksel ve kimyasal yöntemlerin bir kombinasyonunu kullanarak numuneden DNA saflaştırma işlemi” olarak açıklanmıştır. Gen izolasyonu, genlerin işlevini ve düzenlenmesini anlamak ve genetik bozukluklar için yeni tedaviler geliştirmek için yapılır. DNA ekstraksiyonu, polimeraz zincir reaksiyonu (PCR) yoluyla gen amplifikasyonu ve daha fazla çalışma için bir vektöre gen klonlaması gibi süreçler gen izolasyonunu kapsayan süreçlerdir. Genler izole edildikten sonra dizileme ve gen ifade analizi gibi çeşitli teknikler kullanılarak yapı ve işlevleri hakkında fikir edinmek üzere analizi yapılır.
Tarımda gen izolasyonu, ürün büyümesini, verimi ve zararlılara ve hastalıklara karşı direnci iyileştirmek için yararlı olan organizmalardan spesifik genlerin tanımlanması ve çıkarılması sürecini ifade eder. Bu süreç, genetik mühendisliği, -omik teknolojiler ve mikrobiyal gübreler gibi çeşitli tekniklerin kullanılmasını içerir.
Örneğin, yabani otların rekabet kabiliyetine dahil olan izole edilmiş genler, mahsullerin büyüme alışkanlığını ve kaynak kullanımını iyileştirmek ve doğal ot kontrolü için allelokimyasal bileşikler üreten mahsuller geliştirmek için kullanılabilir [1]. FIND-IT gibi yeni kaynaklar, 10 günden daha kısa bir tarama döngüsünde önceden belirlenmiş, hedeflenen genetik varyantların ultra hızlı tanımlanmasını ve izolasyonunu sağlar [2]. -Omics teknolojileri, birçok uçucu maddenin biyosentezinden sorumlu genlerin izolasyonu ile sonuçlanmıştır ve VOC oluşumunda yer alan düzenleyici mekanizmaları anlamamıza katkıda bulunmuştur [3].
Transgen içermeyen ve genetik olarak kararlı CRISPR ile düzenlenmiş bitkilerin üretilmesindeki teknolojik atılımlar, transgen içermeyen ve hedef genetiği düzenlenmiş bitkilerin izolasyonunu büyük ölçüde hızlandırmıştır [4]. Genetik mühendisliği, kaktüslerin iyileştirilmesi için gen izolasyonu ve diğer kaynaklardan genlerin entegrasyonu için fırsatlar yaratmıştır [5].
Daha fazla mineral çözücü bakteri türünün izole edilmesi, mikrobiyal türlerin ve genlerin havuzunu mikrobiyal gübreler olarak zenginleştirebilir, bu da tarımın ekolojik gelişimine büyük fayda sağlayacaktır [6][7]. Yaprak bitine dirençli genlerin izolasyonu ve bunların geliştirilmiş yaprak biti direnci için transgenik bitkilerin geliştirilmesindeki uygulamaları, tarımda gen izolasyonunun başka bir örneğidir [8]. GA süreçlerinin düzenlenmesi, ‘Yeşil Devrim’ genleri de dahil olmak üzere tarım için kritik öneme sahiptir ve GA yolunu verimi artırmak için birincil hedef haline getirir [9]. RNA susturma teknolojisinin ayrıca parazitik bitkiler, nematodlar, böcekler ve mantarlar dahil olmak üzere çok çeşitli zararlılara karşı bitki direncini geliştirmede etkili olduğu kanıtlanmıştır [10].
Gen izolasyonu şu süreçlerden geçer:
- DNA Ekstraksiyonu: Gen izolasyonunda ilk adım, ilgili organizmanın hücrelerinden DNA ekstraksiyonudur. Bu, hücre lizisi ve ardından DNA saflaştırma teknikleri gibi çeşitli yöntemler kullanılarak elde edilebilir.
- DNA Fragmentasyonu: Çıkarılan DNA genellikle etkili bir şekilde manipüle edilemeyecek kadar büyüktür, bu nedenle daha küçük, daha yönetilebilir parçalara bölünmesi gerekir. Bu, enzimatik sindirim veya fiziksel kesme teknikleri ile gerçekleştirilebilir.
- Gene-özgü Problar veya Primerler: Spesifik bir geni izole etmek için, hedef genin DNA sekansını tamamlayıcı olan gene-özgü problar veya primerler kullanın. Bu problar veya primerler, spesifik olarak ilgilenilen hibritlenir ve izolasyonuna izin verir.
- Polimeraz Zincir Reaksiyonu (PCR): PCR, spesifik DNA dizilerini çoğaltmak için kullanılan güçlü bir tekniktir. Gene özgü primerler ve DNA polimeraz kullanarak PCR, hedef geni seçici olarak çoğaltabilir ve daha fazla analiz için artan miktarda DNA sağlar.
- DNA Klonlama: Hedef gen izole edildikten ve amplifiye edildikten sonra, DNA klonlama adı verilen bir işlemle plazmit veya viral vektör gibi uygun bir vektöre yerleştirilebilir. Bu, ilgilenilen genin birden fazla kopyasını oluşturur ve bunlar daha sonra çoğaltılabilir ve daha fazla incelenebilir.
Tarımda Gen İzolasyonu
Gen izolasyonu tıpkı diğer alanlarda önem kazandığı gibi bir diğer canlı bilimi olan tarımda gen izolasyonu, bitkilerin ve hayvanların genetik yapısını daha iyi anlamak ve geliştirmek için önemli bir araçtır. Gen izolasyonu, bitkilerde istenen özellikleri taşıyan genleri tanımlamak, izole etmek ve daha sonra bu genleri kullanarak bitkilerin genetik yapılarını değiştirmek için kullanılır. Aynı şekilde, hayvanlarda da gen izolasyonu, istenen genlerin bulunması ve manipülasyonu için önemlidir.
Tarımsal gen izolasyonunun önemi ve kullanımı aşağıdaki şekillerde açıklanabilir:
Bitki Islahı: Tarımda gen izolasyonu, bitkilerin istenen özelliklerini (örneğin, hastalık direnci, kuraklığa dayanıklılık, yüksek verim) kontrol eden genleri belirlemek için kullanılır. Bu genler, izole edildikten sonra istenen bitkilerle çaprazlanabilir ve bu da istenen özelliklere sahip yeni bitki çeşitlerinin geliştirilmesini sağlar.
Hastalık Direnci: Gen izolasyonu, bitkilerin hastalıklara karşı doğal dirençlerini artırmak için de kullanılır. Hastalık direnci gösteren bitkilerin genetik yapısı analiz edilir, direnç genleri izole edilir ve daha sonra bu genler kullanılarak diğer bitkilere aktarılır.
Besin Kalitesi ve İçerik: Gen izolasyonu, bitkilerin besin içeriğini ve kalitesini iyileştirmek için de kullanılır. Örneğin, vitamin veya mineral içeriği yüksek bitkilerin genleri izole edilir ve daha sonra bu genler, diğer bitkilere aktarılarak besin değeri yüksek bitki çeşitlerinin geliştirilmesi sağlanır.
İyi Tarım Uygulamaları: Gen izolasyonu, tarımda kimyasal kullanımını azaltarak çevresel sürdürülebilirliği artırabilir. Örneğin, böcek ilacına karşı dirençli bitkilerin genleri izole edilir ve bu bitkiler, zararlı böceklere karşı doğal olarak daha dayanıklı hale getirilir. Bu, tarım alanında pestisit kullanımını azaltabilir ve çevre dostu tarım uygulamalarını teşvik edebilir.
Gen izolasyonu, tarım sektöründe bitki verimliliği, hastalık direnci, besin içeriği ve çevresel sürdürülebilirlik gibi birçok önemli konuda önemli bir araçtır. Bu teknik, tarımın gelecekteki zorluklarıyla başa çıkma ve daha sağlıklı, verimli ve sürdürülebilir tarım sistemleri oluşturma potansiyeline sahiptir.
Referanslar:
[1] Weller, S., Bressan, R., Goldsbrough, P., Fredenburg, T., Hasegawa, P. (2001). The Effect Of Genomics On Weed Management In the 21st Century. Weed Science, 2(49), 282-289. https://doi.org/10.1614/0043-1745(2001)049[0282:teogow]2.0.co;2
[2] Knudsen, S., Wendt, T., Dockter, C., Thomsen, H., Rasmussen, M., Jørgensen, M., … & Skadhauge, B. (2022). Find-it: Accelerated Trait Development For a Green Evolution. Sci. Adv., 34(8). https://doi.org/10.1126/sciadv.abq2266
[3] Dudareva, N., Klempien, A., Muhlemann, J., Kaplan, I. (2013). Biosynthesis, Function and Metabolic Engineering Of Plant Volatile Organic Compounds. New Phytol, 1(198), 16-32. https://doi.org/10.1111/nph.12145
[4] He, Y., Zhao, Y. (2019). Technological Breakthroughs In Generating Transgene-free and Genetically Stable Crispr-edited Plants. aBIOTECH, 1(1), 88-96. https://doi.org/10.1007/s42994-019-00013-x
[5] Shedbalkar, U., Adki, V., Jadhav, J., Bapat, V. (2010). Opuntia and Other Cacti: Applications And Biotechnological Insights. Tropical Plant Biol., 3(3), 136-150. https://doi.org/10.1007/s12042-010-9055-0
[6] Meena, V., Bahadur, I., Maurya, B., Kumar, A., Meena, R., Meena, S., … & Verma, J. (2016). Potassium-solubilizing Microorganism In Evergreen Agriculture: An Overview., 1-20. https://doi.org/10.1007/978-81-322-2776-2_1
[7] Dakhly, O., Uwakiem, M. (2018). Improving Mineral Uptake and Productivity Of Superior Grapevines Using Some Strains Of Solubilizing Potassium Bacteria. Zagazig Journal of Agricultural Research, 2(45), 431-448. https://doi.org/10.21608/zjar.2018.49167
[8] Yu, X., Wang, G., Huang, S., Ma, Y., Xia, L. (2014). Engineering Plants For Aphid Resistance: Current Status and Future Perspectives. Theor Appl Genet, 10(127), 2065-2083. https://doi.org/10.1007/s00122-014-2371-2
[9] Wang, X., Li, J., Ban, L., Yudi, W., Wu, X., Wang, Y., … & Gao, H. (2017). Functional Characterization Of a Gibberellin Receptor And Its Application In Alfalfa Biomass Improvement. Sci Rep, 1(7). https://doi.org/10.1038/srep41296
[10] Zhang, M., Wang, Q., Xu, K., Meng, Y., Quan, J., Shan, W. (2011). Production Of Dsrna Sequences In the Host Plant Is Not Sufficient To Initiate Gene Silencing In The Colonizing Oomycete Pathogen Phytophthora Parasitica. PLoS ONE, 11(6), e28114. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0028114
[11] Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K., & Walter, P. (2002). Molecular Biology of the Cell (4th ed.). Garland Science. Section 7.5, Gene Cloning.
[12]Brown, T. A. (2017). Gene Cloning: An Introduction (4th ed.). Wiley-Blackwell.
[13]Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S. L., Matsudaira, P., Baltimore, D., & Darnell, J. (2000). Molecular Cell Biology (4th ed.). W. H. Freeman. Section 8.3, DNA Cloning with Plasmid Vectors.
[14]Watson, J. D., Baker, T. A., Bell, S. P., Gann, A., Levine, M., & Losick, R. (2014). Molecular Biology of the Gene (7th ed.). Pearson. Chapter 7, Gene Isolation.
