Sentetik Biyoloji
Bu videoda sentetik biyoloji ve biyomühendislikteki rolü anlatılmaktadır. Sentetik biyoloji, organizmaları büyük miktarlarda ürün üretebilecek hale ge…
Sentetik biyoloji, biyolojik varlıklar, organizmalar veya yollar oluşturmak veya yeniden tasarlamak için biyoloji ve mühendisliği birleştiren bir alandır. Fikir, yeni kimyasal bileşikleri sentezlemek için iyi bilinen reaksiyonların kullanıldığı kimyadaki kimyasal senteze benzer. Nihai hedef, yeni biyolojik ilaç moleküllerinin yaratılmasından, organizmaların atıkları parçalayabilmeleri için modifikasyonuna kadar değişebilir. Bu video, sentetik biyolojinin temel ilkelerini ve biyolojik modülleri oluşturmak için kullanılan bazı teknikleri tartışmaktadır. Son olarak, bu gelişen alanın bazı gerçek dünya uygulamalarını sunuyoruz.
Gelişmekte olan bu alanın temel amacı, biyoloji ve biyomühendisliği yeni moleküller ve organizmalar oluşturmak için bir araç olarak kullanmaktır. Bir elektrik mühendisinin tek tek elektrikli bileşenlerden işlevsel bir devre oluşturması gibi, sentetik biyolojinin temel amacı, tek tek hücre bileşenlerini kullanarak sıfırdan programlanabilir bir mikroorganizma oluşturmaktır. Bununla birlikte, bu noktada bu hala başarılabilir olmaktan uzaktır, çünkü öncelikle biyolojik süreçler daha az anlaşılmıştır. Bu hedef, yeni nesil DNA dizilimi gibi son gelişmelerle daha ulaşılabilir hale getirilmiştir. Araştırmacılar, DNA dizilimini kullanarak, belirli arzu edilen özelliklere sahip organizmalarda DNA dizisine özgü genlerdeki işlevleri tanımlayabilirler. Daha sonra, tam DNA dizisi büyük miktarlarda sentezlenebilir ve daha sonra transfeksiyon kullanarak bir hücreyi genetik olarak değiştirmek için kullanılabilir. Transfeksiyon, DNA veya RNA gibi genetik materyalin memeli hücrelerine yerleştirilmesi işlemidir. Bakteri hücreleri üzerinde gerçekleştirildiğinde, tekniğe transformasyon denir. Bu süreçte, DNA genellikle pozitif yüklü taşıyıcı moleküllerle kompleks haline getirilir veya pozitif yüklü bir lipozom veya polietilenimin gibi polimer parçacık içinde yoğunlaştırılır. Pozitif yüklü kompleks, negatif yüklü hücre zarına bağlanır ve daha sonra moleküllerin endozom adı verilen zara bağlı veziküller yoluyla bir hücreye girdiği bir süreç olan endositoz yoluyla hücreye girer. Hücrenin içine girdikten sonra, genetik materyal endozomu terk eder ve sonunda hücrenin mekanizmasının MRNA ve daha sonra ondan protein yapabildiği çekirdeğe girer. Artık sentetik biyolojinin temellerini tanıttığımıza göre, laboratuvarda yaygın olarak kullanılan bazı transfeksiyon tekniklerine bir göz atalım.
Elektroporasyon, hücre zarında küçük gözenekler oluşturmak için bir elektrotun kullanılmasını içeren ve böylece DNA'nın geçmesine izin veren bir tekniktir. İlk olarak, 48 oyuklu bir plakanın her bir oyuğunun tabanı 250 mikrolitre antikor ile kaplanır ve kalsiyum ve magnezyum ile tamponlanır. Plakalar daha sonra 37 derecede inkübe edilir. Daha sonra, RNA transfeksiyon için hazırlanır. Bir mikrolitre RNA stok çözeltisi, her ayrı transfeksiyon için bir mikrosantifuge tüpüne alınır ve tüpler buz üzerinde kalır. Antikor kaplı plakalar daha sonra hücre ortamı eklenmeden önce tampon ile yıkanır. Hücreler, doku kültürü kuyucuklarının dibinden ayrılır, bir santrifüj tüpünde toplanır, peletlenir ve yeniden süspanse edilir. Hücreler sayılır ve canlılıkları değerlendirilir. Daha sonra, RNA'nın her bir alikotuna küçük bir hacimde hücre eklenir. RNA'daki hücreler daha sonra bir pipet elektrot ucuna yüklenir ve bir cam küvete elektrolitik tampon eklenir. Küvet tutucunun içine yerleştirilir ve pipet elektrodu küvete yerleştirilir. Hücreler, yaklaşık 1500 voltluk darbeli bir voltaj kullanılarak elektropore edilir. Elektroporasyon tamamlandıktan sonra, hücreler bir kültür plakasında hücre kültürü ortamı ile karıştırılır ve kullanılır veya saklanır.
Diğer bir teknik, hücre zarında açıklıklar oluşturmak için ısı kullanan ısı şoku yöntemidir. İlk olarak, uygun ortam ve agar hazırlanır ve sterilize edilir. Daha sonra soğutulmuş antibiyotik içeren agar plakalara dökülür ve oda sıcaklığına soğumaya bırakılır. Daha sonra, bir su banyosu 42 santigrat dereceye ayarlanır ve kimyasal olarak yetkin hücreler buz üzerinde çözülür. Çözülmüş hücrelere mikrolitre soğuk plazmit başına bir nanogram bir ila beş mikrolitre eklenir ve hafifçe karıştırılır. Daha sonra hücre ve plazma karışımı 30 dakika boyunca buza geri döndürülür. Buz üzerindeki bu inkübasyondan sonra, hücre karışımı 30 saniye boyunca ısı şoku vermek için su banyosuna yerleştirilir. Hücre ve plazmit karışımı daha sonra hemen buzun üzerine yerleştirilir ve taze ortam eklenir. Daha sonra hücre karışımı, hücrelerin toparlanabilmesi için bir saat boyunca 37 santigrat derecede çalkalanan bir inkübatöre yerleştirilir. Daha sonra hücreler, kültürlenmiş bakterilerin 20 ila 200 mikrolitre plakaya eklenmesi ve daha sonra yayılmasıyla agar plakaları üzerinde kültürlenir. Plakalar daha sonra gece boyunca inkübe edilir. Ertesi gün, agar plakaları, hücrelerin plazmidi aldığını gösteren koloni büyümesine sahip olmalıdır. Bu koloniler artık daha fazla deney için kullanılabilir.
Artık bazı yaygın transfeksiyon ve dönüşüm yöntemlerini tanıttığımıza göre, bu yeni alanın bazı uygulamalarına bir göz atalım. Genetiği değiştirilmiş bakteriler, yağ kalıntılarını parçalamak gibi çevre temizliği için kullanılabilir. Sentetik biyoloji tekniklerini kullanarak, belirli çevresel kirleticileri parçalamak için özel organizmalar tasarlanabilir. Bu, tipik emek yoğun temizleme yöntemlerinden daha düşük temizleme maliyetlerine neden olabilir. Kanser gibi belirli hastalıkları teşhis etmek ve tedavi etmek için sentetik olarak yapılandırılmış moleküler ölçekli biyolojik sistemler de oluşturulabilir. Bu organizmalar, kanser hücrelerinin karakteristik imzalarına veya antikorlarına yanıt vermek için oluşturulabilir. Ayrıca, programlanmış hedefleme ile enfekte olmuş hücrelerin tedavisine yardımcı olabilirler.
Jove'un Sentetik Biyolojiye Giriş kitabını yeni izlediniz. Artık bu yeni alanın hedeflerine ve mevcut dünya sorunlarıyla mücadele etmek için organizmaları geliştirmek ve nihayetinde yaratmak için kullanılan bazı tekniklere aşina olmalısınız. İzlediğiniz için teşekkürler.
Sentetik biyoloji, biyolojik varlıklar, organizmalar veya yollar oluşturmak veya yeniden tasarlamak için biyoloji ve mühendisliği birleştiren bir alandır. Fikir, yeni kimyasal bileşikleri sentezlemek için iyi bilinen reaksiyonların kullanıldığı kimyadaki kimyasal senteze benzer. Nihai hedef, yeni biyolojik ilaç moleküllerinin yaratılmasından, organizmaların atıkları parçalayabilmeleri için modifikasyonuna kadar değişebilir. Bu video, sentetik biyolojinin temel ilkelerini ve biyolojik modülleri oluşturmak için kullanılan bazı teknikleri tartışmaktadır. Son olarak, bu gelişen alanın bazı gerçek dünya uygulamalarını sunuyoruz.
Gelişmekte olan bu alanın temel amacı, biyoloji ve biyomühendisliği yeni moleküller ve organizmalar oluşturmak için bir araç olarak kullanmaktır. Bir elektrik mühendisi gibi, bireysel elektrik bileşenlerinden işlevsel bir devre oluşturmak, sentetik biyolojinin temel amacı, bireysel hücre bileşenlerini kullanarak sıfırdan programlanabilir bir mikroorganizma oluşturmaktır. Bununla birlikte, bu noktada bu hala başarılabilir olmaktan uzaktır, çünkü öncelikle biyolojik süreçler daha az anlaşılmıştır. Bu hedef, yeni nesil DNA dizilimi gibi son gelişmelerle daha ulaşılabilir hale getirilmiştir. Araştırmacılar, DNA dizilimini kullanarak, belirli arzu edilen özelliklere sahip organizmalarda DNA dizisine özgü genlerdeki işlevleri tanımlayabilirler. Daha sonra, tam DNA dizisi büyük miktarlarda sentezlenebilir ve daha sonra transfeksiyon kullanarak bir hücreyi genetik olarak değiştirmek için kullanılabilir. Transfeksiyon, DNA veya RNA gibi genetik materyalin memeli hücrelerine yerleştirilmesi işlemidir. Bakteri hücreleri üzerinde gerçekleştirildiğinde, tekniğe transformasyon denir. Bu süreçte, DNA genellikle pozitif yüklü taşıyıcı moleküllerle kompleks haline getirilir veya pozitif yüklü bir lipozom veya polietilenimin gibi polimer parçacık içinde yoğunlaştırılır. Pozitif yüklü kompleks, negatif yüklü hücre zarına bağlanır ve daha sonra moleküllerin endozom adı verilen zara bağlı veziküller yoluyla bir hücreye girdiği bir süreç olan endositoz yoluyla hücreye girer. Hücrenin içine girdikten sonra, genetik materyal endozomu terk eder ve sonunda hücrenin mekanizmasının MRNA ve daha sonra ondan protein yapabildiği çekirdeğe girer. Artık sentetik biyolojinin temellerini tanıttığımıza göre, laboratuvarda yaygın olarak kullanılan bazı transfeksiyon tekniklerine bir göz atalım.
Elektroporasyon, hücre zarında küçük gözenekler oluşturmak için bir elektrotun kullanılmasını içeren ve böylece DNA'nın geçmesine izin veren bir tekniktir. İlk olarak, 48 oyuklu bir plakanın her bir oyuğunun tabanı 250 mikrolitre antikor ile kaplanır ve kalsiyum ve magnezyum ile tamponlanır. Plakalar daha sonra 37 derecede inkübe edilir. Daha sonra, RNA transfeksiyon için hazırlanır. Bir mikrolitre RNA stok çözeltisi, her ayrı transfeksiyon için bir mikrosantifuge tüpüne alınır ve tüpler buz üzerinde kalır. Antikor kaplı plakalar daha sonra hücre ortamı eklenmeden önce tampon ile yıkanır. Hücreler, doku kültürü kuyucuklarının dibinden ayrılır, bir santrifüj tüpünde toplanır, peletlenir ve yeniden süspanse edilir. Hücreler sayılır ve canlılıkları değerlendirilir. Daha sonra, RNA'nın her bir alikotuna küçük bir hacimde hücre eklenir. RNA'daki hücreler daha sonra bir pipet elektrot ucuna yüklenir ve bir cam küvete elektrolitik tampon eklenir. Küvet, tutucunun içine yerleştirilir ve pipet elektrodu küvetin içine yerleştirilir. Hücreler, yaklaşık 1500 voltluk darbeli bir voltaj kullanılarak elektropore edilir. Elektroporasyon tamamlandıktan sonra, hücreler bir kültür plakasında hücre kültürü ortamı ile karıştırılır ve kullanılır veya saklanır.
Diğer bir teknik, hücre zarında açıklıklar oluşturmak için ısı kullanan ısı şoku yöntemidir. İlk olarak, uygun ortam ve agar hazırlanır ve sterilize edilir. Daha sonra soğutulmuş antibiyotik içeren agar plakalara dökülür ve oda sıcaklığına soğumaya bırakılır. Daha sonra, bir su banyosu 42 santigrat dereceye ayarlanır ve kimyasal olarak yetkin hücreler buz üzerinde çözülür. Çözülmüş hücrelere mikrolitre soğuk plazmit başına bir nanogram bir ila beş mikrolitre eklenir ve hafifçe karıştırılır. Daha sonra hücre ve plazma karışımı 30 dakika boyunca buza geri döndürülür. Buz üzerindeki bu inkübasyondan sonra, hücre karışımı 30 saniye boyunca ısı şoku vermek için su banyosuna yerleştirilir. Hücre ve plazmit karışımı daha sonra hemen buzun üzerine yerleştirilir ve taze ortam eklenir. Daha sonra hücre karışımı, hücrelerin toparlanabilmesi için bir saat boyunca 37 santigrat derecede çalkalanan bir inkübatöre yerleştirilir. Daha sonra hücreler, kültürlenmiş bakterilerin 20 ila 200 mikrolitre plakaya eklenmesi ve daha sonra yayılmasıyla agar plakaları üzerinde kültürlenir. Plakalar daha sonra gece boyunca inkübe edilir. Ertesi gün, agar plakaları, hücrelerin plazmidi aldığını gösteren koloni büyümesine sahip olmalıdır. Bu koloniler artık daha fazla deney için kullanılabilir.
Artık bazı yaygın transfeksiyon ve dönüşüm yöntemlerini tanıttığımıza göre, bu yeni alanın bazı uygulamalarına bir göz atalım. Genetiği değiştirilmiş bakteriler, yağ kalıntılarını parçalamak gibi çevre temizliği için kullanılabilir. Sentetik biyoloji tekniklerini kullanarak, belirli çevresel kirleticileri parçalamak için özel organizmalar tasarlanabilir. Bu, tipik emek yoğun temizleme yöntemlerinden daha düşük temizleme maliyetlerine neden olabilir. Kanser gibi belirli hastalıkları teşhis etmek ve tedavi etmek için sentetik olarak yapılandırılmış moleküler ölçekli biyolojik sistemler de oluşturulabilir. Bu organizmalar, kanser hücrelerinin karakteristik imzalarına veya antikorlarına yanıt vermek için oluşturulabilir. Ayrıca, programlanmış hedefleme ile enfekte olmuş hücrelerin tedavisine yardımcı olabilirler.
Jove'un Sentetik Biyolojiye Giriş kitabını yeni izlediniz. Artık bu yeni alanın hedeflerine ve mevcut dünya sorunlarıyla mücadele etmek için organizmaları geliştirmek ve nihayetinde yaratmak için kullanılan bazı tekniklere aşina olmalısınız. İzlediğiniz için teşekkürler.
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What is the main goal of synthetic biology?
Synthetic biology combines biology and engineering to create or redesign biological entities, organisms, or pathways. The primary objective is to use biology as a tool to create new molecules and organisms, similar to how an electrical engineer builds functional circuits from individual components. Researchers aim to create programmable microorganisms from scratch using individual cell components to solve real-world problems.
Q2: How does transfection differ from transformation in genetic modification?
Transfection is the process of inserting genetic material such as DNA or RNA into mammalian cells. When the same technique is performed on bacterial cells, it is called transformation. Both methods use positively charged carrier molecules or liposomes to deliver genetic material across the negatively charged cell membrane via endocytosis.
Q3: What happens during electroporation in the laboratory?
Electroporation uses an electrode to create tiny pores in the cell membrane, allowing DNA to pass through. Cells and RNA are loaded into a pipette electrode tip with electrolytic buffer in a glass cuvette. A pulsed voltage of approximately 1500 volts is applied to open the membrane temporarily. After electroporation, cells are mixed with culture media and either used or stored for further experimentation.
Q4: What are the key steps in the heat shock method for bacterial transformation?
The heat shock method begins with chemically competent cells thawed on ice and mixed with cold plasmid DNA. The mixture is incubated on ice for 30 minutes, then placed in a 42-degree Celsius water bath for 30 seconds. Cells are immediately returned to ice, fresh media is added, and the mixture is incubated at 37 degrees Celsius for one hour to allow recovery. Cells are then cultured on antibiotic-containing agar plates overnight to identify successful transformants.
Q5: How does DNA sequencing advance synthetic biology research?
DNA sequencing allows researchers to identify specific gene functions in organisms with desirable traits. Once identified, the exact DNA sequence can be synthesized in large amounts and used to genetically modify cells through transfection or transformation. This capability enables scientists to isolate and replicate beneficial genetic information, making it possible to engineer custom organisms for specific applications.
Q6: What are real-world applications of synthetic biology?
Synthetic biology has diverse applications including environmental cleanup, where genetically engineered bacteria break down oil residues and specific pollutants at lower costs than traditional labor-intensive methods. In medicine, synthetically constructed organisms can be engineered to diagnose and treat diseases like cancer by responding to cancer cell signatures and targeting infected cells for treatment. These engineered systems support upstream and downstream bioprocess engineering for scaled production.
Q7: How does genetic material enter the cell during transfection?
During transfection, DNA is complexed with positively charged carrier molecules or condensed within positively charged liposomes or polymer particles such as polyethyleneimine. The positively charged complex attaches to the negatively charged cell membrane and enters via endocytosis, a process using membrane-bound vesicles called endosomes. Once inside, genetic material leaves the endosome and enters the nucleus where cellular machinery produces mRNA and protein.