Bilgiustam
Türkiye'nin Bilgi Sitesi

Metagenomik: Tanım, Süreç ve Uygulamaları

0 33

En son genetik teknolojiler kullanılarak çevresel örneklerden geri kazanılan birçok genomun incelenmesi metagenomik olarak bilinir. Metagenomik terimi genetikte geleneksel olarak kullanılmadığı için çok yakın zamanda gelişmiş yeni bir terimdir. Basitçe söylemek gerekirse, metagenomik mikroplarla ilgili bir çalışmadır. Mikropları doğrudan doğal ortamlarından incelemekte ve farklı mikropları tek bir deneyde sınıflandırabilecek bir uygulama yapmaktadır, aynı zamanda genlerin rolünü araştırmaktadır. Tüm bunları yapabilmek için öncelikle noktayı daha açık hale getirmek için mikropların insanlık için önemini anlamak gerekir.
Mikroplar, insan yaşamıyla çok yakından ilişkili tek hücreli organizmalardır ve zararları veya yararlı vardır. Örneğin, bağırsaklarda bulunan mikroplar yiyecekleri sindirmeye yardımcı olurken, diğer bazı mikroplar yiyecekleri fermente edip bizim için yenilebilir hale getirirler. Bazı solunum mikropları da kişiyi hasta etmektedir. Mikroskop keşfedildiğinden beri mikropları incelenmektedir ve hücre kültürü teknikleri, onları büyütmeye ve laboratuvarda incelemeye olanak tanıyan mikroplardır.
Bununla birlikte, geleneksel mikrobiyoloji teknikleri, çeşitli mikropları aynı anda kültürlemek için yeterince güçlü değildir ve dolayısıyla bilim adamları tek seferde yalnızca tek mikrobu inceleyebilirlerdir. Ayrıca, teknik zaman alıcıydı ve kontaminasyona meyilliydi. Bir bakteri veya mikrop kültürünün incelenmesi 3 güne kadar sürerdi. Dolayısıyla, tek bir habitattan tüm mikrobiyal topluluğu geleneksel mikrobiyoloji yöntemlerini kullanarak incelenemeyeceği söylenebilir.
Peki, mikropları hızlı ve toplu halde tanımlayan herhangi bir teknik var mı? Mikrobiyal yükü daha doğru inceleyebilir mi? Metagenomik analiz bu sorunu çözdü mü? Bu yazıda metagenomik, tanımı ve birçok bilim alanındaki önemi ve nasıl yapıldığına dair bilgiler bulunmaktadır. Ayrıca metagenomik analizin avantajlarını, sınırlamalarını ve uygulamalarını da ele alınmaktadır.

Metagenomik Nedir?

Tüm mikrobiyal yük veya mikrobiyal topluluk incelenebilir ve bunların konakçı/çevre ile etkileşimleri veya insan, bitki veya hayvan sağlığı üzerindeki etkileri metagenomik kullanılarak incelenebilir. Dolayısıyla metagenomik bir araştırma tekniğidir ve aynı zamanda birçok mikropların insan sağlığı üzerindeki etkisini doğal yaşam alanlarını etkilemeden değerlendirmek için kullanılan bir teşhis yaklaşımıdır ki bu da bir yönüdür.
Metagenomik kelimesi iki harfin birleşimidir. Meta büyük veya geniş anlamına gelir ve genomik ise genom ile ilgili anlamına gelmektedir. Burada “mikrobiyal genomun incelenmesi” anlamına gelmektedir. Terim ilk olarak Jo Handelsman & Jon Clardy ve meslektaşları tarafından tanımlanmıştır. Tanım olarak çalışma, mikrobiyal tanımlama, karakterizasyon ve metagenomik olarak bilinen çevresel örneklerden yapılan çalışmaları içermektedir.
Basit bir örnekle anlatmak gerekirse; mesela bir bölgedeki bazı yaygın köpek enfeksiyonlarının incelemek istendiğini varsayalım. Bu enfeksiyonlar o bölgede bulunan gölet suyu nedeniyle olmuş olsun ve köpekler sık sık gölete gidip su içmiş ve hastalanmış olsunlar. Havuzdan bir su numunesi alınır ve metagenomik analiz yapılır. Havuz suyunda bulunan mikrobiyal topluluk türünün bir veri tabanı oluşturulur ve değerlendirilir.
Bu suyun köpeğin sağlığı ile nasıl ilişkili olduğunu incelemek istendiğinde, bölgedeki köpeklerden dışkı örnekleri veya bağırsak örnekleri alınır ve aynı şekilde işlenir. Köpeklerde enfeksiyonun nedeni havuz suyunda bulunan mikroplar olsun ya da olmasın, her iki mikrop veri tabanının karşılaştırmalı analizi bir bağlantı elde etmek için gerçekleştirilir. Başka bir durumda, havuzun yakınındaki bazı bitkiler iyi büyüdüyse ve havuzdan uzaktaki bitkilerden daha fazla meyve verdiyse. Havuzdaki bilinmeyen mikrobiyomların bitki yetiştirmeye yardımcı olup olmadığını öğrenmek için metagenomik çalışmalar da yapılabilir. Bu iki örnekte de teknik mikroorganizmalarla ilişkili her türlü analizde kullanılır.
Mikrop enfeksiyonlarının kişinin başına nasıl geldiği hakkında bilgi almak için insan popülasyonu üzerinde de benzer bir analiz türü yapılabilir. Toprak, su, deniz suyu ve diğer çevresel numuneler toplanır ve insan hastalığı veya enfeksiyonundaki rolünü incelemek için araştırılır. Dolayısıyla, mevcut teknik mikropların belirli bir ortamda ne yaptığını bilmek için uygulanmaktadır. Başlangıç örneği yalnızca çevresel örnek değil, aynı zamanda bağırsak mikropları, bağırsak mikropları, diş boşluğu mikropları ve idrar ve dışkı örneklerinde bulunan mikroplardır.
Metagenomiklerin Adımları ve Süreci
Metagenomik uygulama yaparak takip edilmesi gereken adımlar ve süreçler vardır. Bu adımlar şu şekildedir:
• Örnek koleksiyon
• DNA ekstraksiyonu
• Örnek ön hazırlık
• Örnek analiz
• PCR
• DNA dizilimi
• DNA mikrodizi
• Biyoinformatik çalışmaları
• Sonuçlar ve yorumlama
Örnek koleksiyon: Örnek toplama, metagenomik çalışmalarda çok önemli bir adımdır. Çevresel bir numune (eDNA olarak bilinir) toplanır. Toprak numunesi, su numunesi, idrar numunesi, dışkı numunesi ve bağırsak numunesi alınır. Burada genellikle özel numune toplama sistemine gerek yoktur.
DNA ekstraksiyonu: DNA elde etmek için DNA ekstraksiyonu yapıldıktan hemen sonra. Burada listelenen DNA ekstraksiyon yöntemlerinden herhangi birini kullanabilir. Metagenomik analiz için, kullanıma hazır DNA ekstraksiyon kitini kullanılması şiddetle tavsiye edilmektedir. DNA’nın saflığını ve miktarını kontrol edin ve 4C’de saklanmalıdır.
Örnek hazırlama: Hazırlanması gereken numuneyi analiz etmek için, DNA numunesini DNA saflaştırma yöntemi veya kiti ile saflaştırılmalıdır (spoiler – metagenomik analiz için DNA numunesini saflaştırmak için alkol saflaştırma kullanılmamalıdır). Bu numuneyi DNA dizilemesi için işlemek için bir DNA kitaplığı hazırlamak gerekmektedir. Önce DNA parçalanmalı (öneriliyorsa) ve adaptörlerle bağlanmalıdır. Örneklerin miktarı yeterli değilse, parçaları PCR kullanarak amplifiye edin ve ardından bir DNA kütüphanesi hazırlanmalıdır. DNA sıralaması için çeşitli metagenomik DNA amplifikasyon kitleri artık mevcuttur.
Örnek analiz: Örnek bir DNA’yı işlemenin iki yaygın yolu vardır: DNA amplifikasyonu veya DNA sıralaması. Metagenomik için mikrodizi daha az tavsiye edilir. PCR’de Polimeraz zincir reaksiyonu, yalnızca mikropların 16s rRNA genlerini veya 18s rRNA genlerini incelemek ve bazı hastalıklar veya enfeksiyonlarla ilişkili bazı bilinen genlerin analizi için gerçekleştirilir. Yaygın olarak PCR, yeni fonksiyonları araştırmamak için 16s rRNA ve 18s rRNA gen amplifikasyonu için kullanılır. Bir PCR’de, farklı mikroplar için diziye özgü primerler tasarlanır ve büyütülür. PCR’nin sonuçları geleneksel gen elektroforezinde analiz edilir. Bununla birlikte, viral yükü ölçmek için gerçek zamanlı ölçüm de yapılır.
DNA dizilimi: DNA dizileme, metagenomikleri incelemek için en iyi yöntemdir. Burada, çevresel örnekten çıkardığımız DNA örneği, bir örnekte bulunan her nükleotidi tanımlayan bir makinede belirlenir, yani tüm DNA dizilerini, genleri veya genomun bir kısmını (bir örnekte ne varsa) sıralayabilir. Hesaplamalı programlar aracılığıyla, çeşitli mikroplarla ilgili çeşitli genler tahmin edilir ve nasıl enfekte olduklarına dair bilgi almak için incelenir Shotgun dizileme ve yüksek verimli DNA dizileme, metagenomik çalışmalar için kullanılan iki yaygın yöntemdir. Av tüfeği DNA sıralaması, bir numunenin tüm genomunun veya genlerinin paralel dizilişini kolaylaştırır.

Metagenomik Analizi Neden Yapılmaktadır?

Metagenomik analiz yapılmasının nedenine bakıldığında ilk etapta mikropları teşhis etmek denilebilir. İki yaygın neden bizi metagenomik yapmaya zorlar; ilk olarak geleneksel mikrobiyoloji tekniklerinin sınırlamalarından kurtarır. Mesela bir toprak örneği varsa ve içindeki mikropları incelemek istenirse, birkaç ay içinde birkaç yüz mikroorganizma tanımlanabilir.. Ve sadece numune kontamine değilse mümkündür. Ancak metagenomik analizle binlerce mikropu hızlı bir şekilde ve kontaminasyon olmadan incelenebilir.
İkincisi, mikrobiyal faaliyetlerin çoğu, tüm mikrop topluluğunun karmaşık davranışları tarafından yönetilir. Bu yüzden bazı etkileri veya aktiviteleri doğru bir şekilde araştırmak için hepsini incelemek gerekir. Bunun yanında Metagenomiklerin bir 16s rRNA gen analizi olmadığı unutulmamalıdır. Mikropları karakterize etmek için 16s rRNA gen analizi yapılır. Fonksiyonel bir genomik analiz yapmayı sağlayamaz. Diğer yandan, mikropların işlevsel genomik bölümünü incelemek için metagenomik yapılır. Burada mikropların farklı genlerinin nasıl davrandığını ve bazı hastalıklarda rol oynadığını araştırılmaktadır.

Metagenomik Tekniğinin Avantajları

Mevcut tekniğin en önemli avantajlarından biri, birçok mikroorganizmayı tek bir deneyde inceleme gücüdür ve bu, geleneksel mikrobiyoloji yöntemleriyle mümkün değildir. Ayrıca, sıralama tabanlı metagenomik teknik oldukça doğru ve daha hızlıdır. Viral yük miktarını da belirlenebilir.

Metagenomik Tekniğinin Dezavantajları

Teknikler çok maliyetlidir. Yeni nesil dizileme tekniklerinin maliyeti yaklaşık olarak 500 ila 5000 $ arasındadır. Pek çok mikrop için faydalı olup olmayacağı hala bilinmemektedir, bu nedenle yeni mikrop dizilerini karşılaştırmak ve incelemek için yeterli bilgi yoktur.

Metagenomik Uygulamalar

Metagenomik çalışmaları şu anda ön aşamasındadır, ancak farklı sorunları çözmek için farklı alanlara girme potansiyeli vardır. Ekoloji, çevre koruma, bulaşıcı hastalık teşhisi, Çevresel iyileştirme, Biyoteknoloji ve tarımda yaygın olarak kullanılmaktadır.
Biyoteknoloji çalışmaları: Son zamanlarda bilim adamlarının daha fazla odak noktası mikrobiyal çalışmalar, yani metagenomik analizdir. Proteaz, lipaz ve enzimler gibi nitrilazlar metagenomik çalışmaların ürünüdür. Enzimler, antibiyotikler, biyokimyasallar, Biyoaktif bileşikler ve ilaçlar sadece mikroplar incelenerek yapılır.
Ekolojik çalışmalar: Metagenomik gibi mikrobiyal çalışmalar ekoloji, koruma ve istilacı tür çalışmalarında büyük önem taşımaktadır. Deniz, nehirler, toprak, hava ve yağmur ormanları pek çok farklı hayvan ve mikrop için yaşam alanıdır. Hayvanlar, mikroplar ve bitkiler arasındaki karmaşık simbiyotik ilişki, habitatın sağlığını anlamamıza yardımcı olur. Örneğin, bir hayvanın dışkısı, başka bir farklı tür için besin açısından zengin bir besin kaynağı olabilir. Mikropların faaliyeti nedeniyle mümkün olabileceğini unutulmamalıdır! Metagenomik analiz, bir ekosistem için her ikisinin de ne kadar önemli olduğuna dair fikir verir. Ayrıca muhafazakâr ve nesli tükenmekte olan tür çalışmaları için kullanılır.
Sağlık ve tıp: Karmaşık enfeksiyonlar, metagenomik analizle hemen incelenebilir. Hastadan örnek alınır ve içlerinde hangi mikroorganizmanın bulunabileceğini bilmek için DNA dizilimi için işlenir. Farklı RNA virüslerinin insan sağlığındaki rolü, RNA’yı izole ederek ve bunları cDNA’ya dönüştürerek de değerlendirilebilir. Kirletici maddelerin ekosistem ve çevre üzerindeki etkisi, mikrobiyal yükünün nasıl davrandığı bilinerek, metagenomik analiz ile izlenebilir ve araştırılabilir.
Tarım ve toprak ekolojisi: Metagenomik, toprak ve tarım çalışmalarında büyük ölçüde kullanılmaktadır. Toprak, pek çok mikroorganizma ve bitki için de ortak bir yaşam alanıdır. Tüm mikropları bir gram toprak örneğinden sıralarsak, 1 gb çıktı sıralama bilgisi verir ve bu çok büyük bir değerdir. Bitkiler ve mikroorganizmalar arasındaki karmaşık ilişkiler, bu çalışmaların ana odak noktasıdır. Bitki büyümesine faydalı olan mikrobiyomlar, üretim açısından büyük ekonomik değerlere sahiptir.
Sonuç olarak, metagenomik tekniği farklı alanlarda kullanabiliriz diyebilir. Bilim adamları bile biyoyakıt üretimini metagenomik yöntemle denemektedirler. Metagenomik örnek analizi süreci tanıdık gelebilir, ancak yalnızca 16’lı rRNA gen analizinin dizilemesi ile sınırlı değildir. Bir örnekten DNA dizileriyle ilgili bu kadar çok bilgi almak için birçok hesaplama aracı kullanılır. Binlerce farklı mikrobiyal suş mevcut teknikle tanımlanabilir, incelenebilir ve analiz edilebilir. Bilinmelidir ki; mikrop dünyası düşünülenden çok daha karmaşıktır!

Kaynakça:
https://www.sciencedirect.com/topics/biochemistry-genetics-and-molecular-biology/metagenomics
http://hulab.ucf.edu/research/projects/metagenomics/introduction.html
https://geneticeducation.co.in/what-is-metagenomics-definition

Yazar: Özlem Güvenç Ağaoğlu

Cevap bırakın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak.