Bu yazı, mikrobiyom araştırmalarının günümüzde geldiği noktayı ve bu alanın gerektirdiği çok katmanlı analiz yaklaşımlarını ele alıyor. Mikroorganizmaların yalnızca tekil düzeyde değil, ekosistem bağlamında nasıl incelendiğini; meta-omik teknolojiler ve sistem biyolojisiyle birlikte bu alanın nasıl dönüştüğünü tartışıyor.
Yazan: Muzaffer Arıkan
Mikrobiyota ve mikrobiyom kavramları
“If you wish to converse with me, define your terms.” 1
Son yıllarda “mikrobiyota” ve “mikrobiyom” kavramları hem bilimsel yayınlarda hem de popüler kültürde giderek daha fazla yer bulmaya başladı. Çoğu zaman birbirinin yerine kullanılsalar da bu iki kavram aslında farklı anlamlara sahip. Mikrobiyota, fiziksel ve kimyasal özellikleriyle tanımlanabilen bir çevrede yaşayan tüm mikroorganizmaları ifade eder. Mikrobiyom ise bu mikroorganizmaların yanı sıra onların ürettiği ya da taşıdığı tüm biyolojik bileşenleri (DNA, RNA, protein, lipid, metabolitler vb.) kapsayan daha geniş bir çerçeveyi ifade etmek için kullanılır (Şekil 1). Örneğin; bağırsak mikrobiyotası dediğimizde bağırsakta yaşayan tüm mikroorganizmaları, bağırsak mikrobiyomu dediğimizde ise bu mikroorganizmalarla birlikte ürettikleri ve içerdikleri tüm biyomolekülleri ifade etmiş oluruz.
Şekil 1: Mikrobiyota ve mikrobiyom terimlerinin kapsamının şematik gösterimi 2
Mikrobiyal dünyayı görünür kılmak
“Humans live in the midst of a seething, breathing microbial world.” 3
İçinde yaşadığımız mikrobiyal dünyayı anlamaya dair ilk adımlar, 17. yüzyılda Antonie van Leeuwenhoek’un mikroskobu ile yaptığı gözlemlerle atıldı. Ancak mikrobiyomun gerçek çeşitliliğini ve işlevlerini keşfetmemiz, modern moleküler biyoloji ve omik teknolojiler sayesinde mümkün hale geldi. Geleneksel kültür temelli yöntemler sınırlı kaldığı için mikrobiyal çeşitliliğin büyük bir bölümü uzun süre boyunca 'görünmez' kaldı (bkz. The Great Plate Count Anomaly). Bugün yeni nesil teknolojiler sayesinde, sadece kültür edilemeyen mikroorganizmaları tanımakla kalmıyor, aynı zamanda bu canlıların ne yaptığını ve konakla ya da çevreyle nasıl etkileştiğini de derinlemesine analiz edebiliyoruz. Mikrobiyom araştırmaları artık sadece “orada kim var?” sorusuna değil, aynı zamanda “ne yapıyorlar, neden oradalar ve nasıl etkileşiyorlar?” gibi çok daha karmaşık sorulara da yanıt arıyor.
Mikroorganizmalardan ekosistemlere
"No man is an island, entire of itself; every man is a piece of the continent, a part of the main." 4
Mikroorganizmaların yalnızca izole koşullarda değil, doğal ortamlarında, diğer mikroorganizmalarla ve çevreyle etkileşim içinde çalışılması gerektiğini savunan Sergei Winogradsky gibi bilim insanları mikrobiyal ekoloji disiplininin temelini attı.5 Bugün mikrobiyom araştırmaları tam da bu yaklaşım üzerinden ilerleme imkanı bulmakta. Mikrobiyal komüniteleri değerlendirirken, komünite üyelerinin birbirleriyle ve konak hücrelerle kurduğu karmaşık ilişkileri anlamaya çalışıyoruz. Bu nedenle yalnızca DNA dizileme değil; fonksiyonel, uzamsal ve zamansal verileri entegre eden çok katmanlı analizler de önem kazanıyor.
Mikrobiyom araştırmalarında 5N1K
Gazetecilikte sıkça kullanılan 5N1K (Kim, Ne, Nerede, Ne Zaman, Neden, Nasıl) yaklaşımı, mikrobiyom çalışmalarına uyarlandığında pratik bir çerçeve sunuyor. Bu bağlamda, mikrobiyom araştırmalarında da sıkça sorulan bu soruların cevaplanmasında kullanılabilecek temel teknikleri aşağıdaki gibi özetleyebiliriz:
Kim?
Bir mikrobiyal komünitenin bileşimini belirlemek için taksonomik analizler yapılmalıdır.
- Bu amaçla en sık kullanılan yöntemlerden biri metagenomik analizdir. Shotgun metagenomik yöntemi, bir örnekteki tüm mikrobiyal DNA’yı dizileyerek hem hangi mikroorganizmaların bulunduğunu hem de hangi genleri taşıdıklarını anlamamızı sağlar.
- Öte yandan, 16S rRNA geni ya da ITS bölgesi gibi belirli hedef gen bölgelerine odaklanan amplikon dizileme yaklaşımları, yalnızca mikrobiyota bileşimini ortaya koyabilir. Bu yöntemler, işlevsel potansiyel hakkında bilgi sağlamadıkları için mikrobiyom analizine olanak vermezler. Bu nedenle, amplikon dizilemeye dayalı çalışmaların metagenomik analiz olarak adlandırılmaması gerekir.
Ne yapıyorlar?
İncelenen komünitedeki mikroorganizmaların hangi biyolojik süreçlerde yer aldığını anlamak için fonksiyonel omik yaklaşımlar kullanılabilir:
- Metatranskriptomik, komünitede hangi genlerin RNA düzeyinde ifade edildiğini gösterir.
- Metaproteomik, hangi proteinlerin üretildiğini ve hangi işlevlerin gerçekten gerçekleştiğini gösterir.
- Meta-metabolomik, komünitenin metabolik ürünlerini analiz ederek biyokimyasal çıktıları değerlendirmeye imkan verir.
Nerede?
Mikrobiyal komünitelerin konumunu ve dağılımını analiz etmek için hem örnekleme stratejileri hem de uzamsal omik teknolojiler kullanılabilir.
- Örneğin uzamsal metatranskriptomik, belirli bir dokuda hem mikroorganizmaların hem de konak hücrelerin konumlarını ve etkileşimlerini eşzamanlı olarak analiz etmemize imkân tanır.
Ne zaman?
Mikrobiyomlar sabit değil, dinamik sistemlerdir. Dolayısıyla zaman faktörünün analizlere dahil edilmesi oldukça önemlidir. Örneğin; biyolojik saat, diyet, antibiyotik kullanımı veya hastalık süreçleri mikrobiyal kompozisyonu etkileyebilir.
- Zaman serisi analizleri ile aynı bireyden farklı zamanlarda alınan örnekler karşılaştırılarak bu dinamik değişimlerin izleri sürülebilir.
Neden?
Mikrobiyal bir yapının neden o şekilde oluştuğunu anlamak için genellikle multi-omik entegrasyon gerekir. Bunun için mikrobiyom verileri, konak verileri ve çevresel faktörler birlikte analiz edilmelidir.
- Bu tür çok boyutlu verileri entegre etmek ve anlamlandırmak için ise sistem biyolojisi yaklaşımları ve modellemeler kritik rol oynar.
Nasıl?
Mikrobiyomun kendi içinde (ve varsa) konakla nasıl etkileştiğini anlayabilmek için hem deneysel sistemler hem de hesaplamalı modeller kullanmak gerekir.
- In vitro ko-kültür sistemleri, organ-on-a-chip teknolojileri ve hayvan modelleri bu etkileşimleri biyolojik düzeyde analiz etmemizi sağlar.
- Hesaplamalı tarafta ise etkileşim ağları ve nedensellik çıkarımları yapan algoritmalar, verileri biyolojik açıdan anlamlı çıktılara dönüştürmeyi sağlar.
Şekil 2: Ana mikrobiyomik tekniklerinin deneysel iş akışları 6
Sonuç
Mikrobiyom araştırmaları, artık yalnızca belirli bir çevrede hangi mikroorganizmaların bulunduğunu belirlemekle sınırlı değil. Günümüzde odak, bu mikroorganizmaların çevreyle, konakla ve birbirleriyle kurduğu karmaşık ilişkileri çözmeye yönelmiş durumda. Meta-omik teknolojilerdeki ve sistem biyolojisi yaklaşımlarındaki ilerlemeler sayesinde, mikrobiyal ekosistemler artık bileşimsel, işlevsel, mekânsal ve zamansal düzeyde çok katmanlı olarak incelenebiliyor. Bu bütüncül analizler, yalnızca sağlık ve hastalık süreçlerine dair kapsamlı ve detaylı bilgiler sunmakla kalmıyor, aynı zamanda gezegenimizin ekolojik işleyişini anlamak için de güçlü bir zemin oluşturuyor.
Kaynaklar
1 https://www.goodreads.com/quotes/7799868-if-you-wish-to-converse-with-me-define-your-terms
2 Berg, G., Rybakova, D., Fischer, D., Cernava, T., Vergès, M. C. C., Charles, T., ... & Schloter, M. (2020). Microbiome definition re-visited: old concepts and new challenges. Microbiome, 8(1), 103.
3 Harwood, C., & Buckley, M. (2007). Uncharted microbial world: Microbes and their activities in the environment (No. DOE/ER/64346 Final Report). American Society for Microbiology.
4 https://allpoetry.com/No-man-is-an-island
5 Goins, J. (2019). Microbiomes: An Origin Story. American Society for Microbiology.
6 Arıkan, M., & Muth, T. (2023). Integrated multi-omics analyses of microbial communities: a review of the current state and future directions. Molecular Omics, 19(8), 607-623.
