Yeni yöntem; ekolojik ve tıbbi olarak ilgili bakteri gruplarını tanımlar.
Bitkiler ve hayvanlar arasındaki türlerin belirlenmesi bazı biyologlar için tam zamanlı bir meslek olmuştur. Ancak bu görev; gezegende yaşayan sayısız mikrop için daha da zordur. MIT araştırmacıları; insan hastalıkları ile ilişkileri saptayan popülasyonlar dahil olmak üzere, bakteri ve arkea ekolojik olarak önemli popülasyonları tanımlayabilen basit bir gen akışı ölçümü geliştirdiler.
Gen Akışı Metriği; genetik ve ekolojik olarak farklı popülasyonlarda bulunan mevcut mikropları birbirinden ayırır.
Polz ve meslektaşları, bu topluluklardaki farklı ortamlara eşleştirilebilecek farklı uyarlamalar gösteren genomun parçalarını tanımlamak için bir yöntem geliştirdi. Örneğin bir bağırsak bakterisine yaklaşımlarını test ettiklerinde, bakteri popülasyonlarının sağlıklı bireylerle ve Crohn rahatsızlığı olan hastalarla ilişkili olduğunu belirlemeyi başardılar.
Biyologlara göre; grup diğerlerinden üreme yoluyla izole edilirse, genellikle gruptaki bireyler birbirleriyle çoğalabilirler, ancak başkalarıyla çoğalamazlarsa, bir grup bitki veya hayvan türü olarak adlandırırlar. Sonuç olarak, bir türün üyeleri diğer türlerden farklı bir dizi gen paylaşır. Evrim Teorisinin çoğu; belirli bir bölgedeki türlerin temsilcileri olan, türler ve popülasyonlar üzerine odaklanır.
Polz: “’Mikroplar’ bitkiler ve hayvanlar için klasik tür kavramına meydan okuyor. Mikroplar, aseksüel olarak üreme eğilimindedir, yavrular üretmek için genlerini diğer bireylerle birleştirmek yerine kendilerini ikiye bölerler. Mikroplar; ayrıca ‘virüs gibi çevresel kaynaklardan DNA alınması’ için ün salmış. Virüsler DNA’yı mikrobiyal hücrelere aktarabilir ve DNA’nın genomlarına dahil edilebilir.”
Bu işlemler; bir arada bulunan mikropları genetik yapılarına göre farklı popülasyonlara ayırmayı zorlaştırır.
Polz: “Bu popülasyonları mikroplarda tanımlayamazsak, birebir bitkiler ve hayvanlar için geliştirilen tüm bu zengin ekolojik ve evrimsel teoriyi uygulayamayız.”
Araştırmacılar; örneğin bir ekosistemin çevresel değişim karşısında dayanıklılığını ölçmek istiyorsa, türler içindeki popülasyonların zaman içinde nasıl değiştiğine bakabilirler.
Gen Akışı İçin Bir Kıstas
Martin ve meslektaşları mikroplardaki ekolojik açıdan anlamlı popülasyonları tanımlamanın başka bir yolunu aramaya karar verdi. Mikrobiyoloji Yüksek Lisans Öğrencisi Philip Arevalo liderliğindeki araştırmacılar; PopCOGenT (Gen Transfer Kümeleri Olarak Popülasyonlar) olarak adlandırdıkları bir gen akışı ölçüsü geliştirdi.
PopCOGenT; yakın ilişkili genomlar arasındaki son gen akışını veya gen transferini ölçer. Genel olarak, yakın zamanda DNA alışverişinde bulunan mikrobiyal genomlar; bireylerin DNA’larını ikiye bölerek çoğalttıklarından daha uzun ve daha sık aynı DNA uzantılarını paylaşmalıdır. Bu tür bir son değiş tokuş olmadan, araştırmacılar; aynı özdeş DNA özniteliklerinin uzunluğunun mutasyonların uzamaya yeni “harfler” eklemesiyle, kısaldığını öne sürdüler.
Genetik olarak birbirleriyle aynı olmayan fakat aynı DNA’nın oldukça büyük “parçalarını” paylaşan iki mikrobiyel suş; muhtemelen diğer suşlarla olduğundan daha fazla genetik materyal alışverişinde bulunuyor. Bu gen akış ölçümünde, araştırmacılar; üç farklı bakteri türündeki testlerinde keşfedilen farklı mikrobiyal popülasyonları tanımlayabilir.
Örneğin Vibrio bakterilerinde; yakından ilişkili popülasyonlar bazı çekirdek gen dizilerini paylaşabilir, ancak Polz ve meslektaşları; son gen akışının bu ölçümü ile bakıldığında birbirlerinden tamamen izole göründüklerini belirtiyor.
Polz; PopCOGenT yönteminin mikrobiyal popülasyonları tanımlamak için önceki çalışmalardan daha iyi çalışabileceğini, çünkü geçmişte binlerce yıl olmuş olabilecek gen akışı olaylarını dahil etmek yerine; yakın ilişkili organizmalar arasında yakın tarihli gen akışına odaklandığını söylüyor.
Polz: “Metot ayrıca; mikropların gen akışını engelleyebilecek ortamlarından sürekli olarak farklı DNA’ları alırken, bu farklı DNA’nın popülasyonlardan çok hızlı bir şekilde seçim yapılarak gerçekten uzaklaştırılması söz konusu olabilir.”
Ters Ekoloji Yaklaşımı
Mikrobiyoloji Yüksek Lisans Öğrencisi David VanInsberghe daha sonra, “doğal seleksiyon” için kuvvetli doğal seçilimin bir sonucu olarak DNA varyasyonunun azaldığı veya ortadan kaldırıldığı yerler olan, “seçici taramalar” sergileyen bu genomun bölgelerini tanımlayabilen “ters ekoloji” yaklaşımı önerdi.
Popülasyonlar içindeki spesifik taramaları belirleyerek ve bu popülasyonların dağılımını haritalandırarak, metot; mikropları ortamları hakkında önceden bilgi sahibi olmadan, belirli bir çevreye veya konukçuya yerleşmeye zorlayan uyarlamaları ortaya çıkarabilir. Araştırmacılar bu yaklaşımı; bağırsak bakteri Ruminococcus gnavus’ta test ettiklerinde, sağlıklı insanlar ve Crohn hastalığı olan hastalarla ilişkili mikrop popülasyonlarını ortaya çıkardılar.
Polz: “Ters ekoloji yöntemi, yakın gelecekte insan vücudunda yaşayan bakteri çeşitliliğini incelemek için uygulanabilecek. İnsan mikrobiyomunda yakın ilişkili organizmaların sıralanmasında ve sağlık ve hastalık birlikteliğinin aranmasında büyük ilgi var ve veri setleri büyüyor.”
Mikropların “esnek genomunu” incelemek için yaklaşımı kullanmayı umuyor. Örneğin E. coli bakteri suşları, genlerinin yaklaşık yüzde 40’ını “çekirdek genom” içinde paylaşırken; diğer yüzde 60’ı (esnek kısım) suşlar arasında değişiklik gösterir.
Polz: “Benim için mikrobiyolojideki en büyük soru: Bu genomlar neden gen içeriğinde bu kadar çeşitli?… Bir kez popülasyonları evrimsel birimler olarak tanımlayabilirsek, bu popülasyonlardaki gen frekanslarını evrimsel süreçler ışığında yorumlayabiliriz.”
