Röportaj - Termit Hindgut Mikrobiyal Topluluk incelenmesi

Termitler ve bağırsak mikrobiyotaları, oldukça büyüleyici ve karmaşık bir mutualistik simbiyoz örneğidir. Bu nedenle, çok karmaşık bir besin kaynağı olan lignoselülozu hem böceğin hem de mikropların kullanabileceği ürünlere parçalarken farklı bileşenlerin üstlendiği tüm farklı rolleri daha iyi anlamak için termitleri ve bu mikropları incelemek istiyorum. Ben Jared Ledbetter.

California Teknoloji Enstitüsü'nde çevre mikrobiyolojisi doçentiyim ve çevre bilimleri ve mühendisliği programımızda yer alıyorum. Altı buçuk yıldır Caltech'teyim, ancak son 17 yıldır temel araştırma alanlarım, çeşitli termitlerin arka bağırsaklarında yaşayan mikrobiyal toplulukların mikrobiyolojisi üzerine yaptığım çalışmalar oldu. Massachusetts, Woods Hole'da verilen mikrobiyal çeşitlilik yaz kursunda bir öğrenci olarak termit bağırsak mikrobiyolojisiyle ilk tanıştığım zamandan beri, termitlerin arka bağırsaklarında yaşayan farklı mikrobiyal türlerin kimlikleri ve işlevleri üzerine derin bir ilgi duymaktayım.

Termitlerin arka bağırsak toplulukları, yaşamın her üç domainini de temsil eden yaklaşık 250 benzersiz mikrobiyal türden oluşur. Metagenik Archa'ları, anaerobik selülozu ayrıştıran protozoaları (yani tek hücreli ökaryotları) ve spiroketler olarak adlandırılan bakteri grubunun çok sayıda yeni türü dahil olmak üzere geniş bir bakteri çeşitliliğini tanımlayabilirsiniz. Termitlerde yaşayan ve doğanın başka hiçbir yerinde bulunmayan yaklaşık 250 farklı tür olmasına rağmen, yaklaşık yüz yıllık çalışmalardan sonra bile, konak böcek ile mikrobiyal topluluk arasında gerçekleşen ve toplamda oldukça büyüleyici olan bu mutualistik simbiyozda, tüm bu farklı mikropların işlevinin ne olduğu konusunda bilgimiz oldukça yetersizdir; bu topluluk birlikte selülozu, temel olarak hem konak böceğin hem de bu çeşitli mikropların metabolizmasını besleyen ürünlere parçalar.

Son 16-17 yıldır, bu türlerin kim olduğunu ve neler yaptıklarını belirlemeye büyük ilgi duyuyorum. Bu türler arka bağırsakta birbirleriyle nasıl etkileşime giriyor ve konakçıya faydaları nelerdir? Termitler ve bağırsak mikropları, oldukça büyüleyici ve karmaşık bir mutualistik simbiyoz örneğidir.

Böylesine karmaşık bir besin kaynağı olan lignoselülozun, hem böceğin hem de mikropların kullanabileceği ürünlere dönüştürülme sürecinde, farklı bileşenlerin üstlendiği çeşitli rolleri daha iyi anlamak için termitleri ve bu mikropları incelemekle ilgileniyorum. Termitleri ve bağırsak mikroplarını incelemenin bir başka nedeni de, termitlerin küresel karbon ve azot döngülerinde kritik ve önemli roller oynayan, dünya genelinde çok önemli bir hayvan grubu olmalarıdır; tropikal ve subtropikal bölgelerde termitler son derece çeşitlidir. Yani, çok sayıda farklı termit türü mevcuttur ve sayıca oldukça yoğundurlar.

Bu böceklerin ne kadar başarılı olduğuna dair bir örnek olarak; küçük ama küresel CO2 ve küresel metan kaynaklarıdırlar. Dönüştürdükleri odun miktarı sayesinde termitler, küresel CO2'nin yaklaşık %2'sine ve küresel metanın yaklaşık %4'üne katkıda bulunur ki bu, tek bir hayvan grubu için aslında oldukça önemli bir orandır. Dolayısıyla, bu böceklerin içindeki mikropları ve faaliyetlerini inceleyerek, bu böcekleri ve küresel düzeydeki başarılarının temelini daha iyi anlıyoruz.

Termitleri bağırsak mikrobiyotaları üzerinden incelemek, ölçek ve tekrarlanabilirlik açısından da ilgi çekicidir. Belirli düzeylerde termitleri bağırsak mikrobiyotalarıyla birlikte çalışıyorum çünkü burası oldukça heyecan verici ve karmaşık bir ortamdır. Ancak arka bağırsak ortamı, yani bu arka bağırsak ekosistemi, diğer birçok ortamdan oldukça farklıdır.

Termit arka bağırsağı, hacmi yaklaşık bir mikrolitre olacak şekilde oldukça küçüktür ve bağırsak epiteliyle veya böceğin kendisiyle çevrili olması bakımından sınırları çok belirgindir. Bu ortamın sınırlarını oldukça somut bir şekilde tanımlayabiliriz. Ortam çok küçüktür; bir kutu termit toplayarak 200 termite sahip olabiliriz ve böylece ortalama olarak aynı ortamın tekrar tekrar replike edilmesini sağlayabiliriz.

Termit bağırsak ortamını, örneğin Sargasso Denizi ile kıyaslarsanız, Sargasso Denizi devasa ve çok büyüktür. Binlerce mil genişliğindedir. Sınırları belirlenmiştir, ancak bunlar belki de sadece operasyonel olarak tanımlanmıştır.

Sargasso Denizi'nin sınırları belirgin değildir ve dünyada ondan yalnızca bir tane vardır. Bu nedenle, Sargasso Denizi'ni inceleyerek deniz bilimleri hakkında çok şey öğrenebiliriz ve bu denizi çalışmak oldukça önemlidir. Ancak, oraya gidebilmek için bir tekneye binmeniz gerekmesi gibi bazı zorluklar söz konusudur.

Oradaki mikroplarla ilgili bir bulgunuz olduğunda, bu mikropların herhangi bir anda tam olarak nerede olduğunu bilemeyebilirsiniz ve konumları kilometrelerce farklılık gösterebilir; üstelik doğal olarak onlardan sadece bir tane vardır. Bu nedenle Sargasso Denizi'ni incelemek, onu bir şekilde bozmak ve karşılaştırmak için kontrol amaçlı başka bir Sargasso Denizi'ne sahip olmak zordur. Dolayısıyla, bağırsak mikroplarını inceleyerek aslında laboratuvar tekniklerine uygun bir ortam örneğine sahip olmuş oluyoruz.

Bu ortamı yeniden oluşturabilir, onule bozabilir ve kontrol gruplarıyla karşılaştırabiliriz. Tüm bu farklı mikrobiyal grupların ve mikrobiyal türlerin, bu bir mikrolitrelik bağırsak ortamında nerede etkileşime girdiğini her zaman yaklaşık bir milimetre hassasiyetle biliyoruz. Bu nedenle laboratuvarımda, bu topluluğun sırlarını açığa çıkarmamıza yardımcı olabilecek mevcut tüm teknikleri kullanarak bu mikrobiyal topluluğu incelemeyi seviyoruz.

Bunun kesinlikle bir yönü, söz konusu mikrobiyal toplulukta yerleşik olan türleri yetiştirmeye çalışmak olmuştur. Laboratuvarda in vitro ortamda 250 tür oldukça karmaşıktır ve bir bakterinin saf kültürünü inceleyebildiğinizde, araştırmanın yorumlanmasında eşsiz bir netlik oluşur. Çalışmalarımızın bir kısmı, bu bağırsak topluluğuna girerek topluluktan tekil türleri kültüre etmeye ve yetiştirmeye, ardından bu türlerin fizyolojisini, genetiğini ve genomini ayrıntılı olarak incelemeye ve son olarak bunun, söz konusu türün o topluluktaki işlevi hakkında ne anlama geldiğine dair çıkarımlar yapmaya odaklanmıştır.

Buna bir örnek, termit bağırsağı üzerine yaptığımız çalışmadır. Spiroketler, hemen hemen tüm termitlerde bol miktarda bulunan spiral şekilli organizmalardır. Termitlerde, aslında sifiliz etkenine oldukça yakın akraba olan spiroketler bulunur; ancak tüm sağlıklı termitlerde bu spiroketleri görürsünüz.

Böylece uzun yıllar boyunca, bu spiroketlerin muhtemelen konakçı için faydalı bir şeyler yapan simbiyontlar olduğunu biliyorduk ancak ne yaptıklarını bilmiyorduk. Yaklaşık 10 yıl önce, bu spiroketlerin bazılarını in vitro ortamda büyütmeyi başardım ve artık bu spiroketleri inceleyebiliyoruz; fizyolojileri ve bu spiroketlerin çevrede muhtemelen neler yaptıkları hakkında pek çok şey öğrendik. Bu dönemden önce, bu spiroketlerin çevrelerinde neler yaptıkları hakkında hiçbir fikrimiz yoktu.

Böylece, bu saf kültürleri inceleyerek saf kültür destekli birçok keşif yaptık. Ayrıca, bu mikrobiyal topluluğu incelemek için gen tabanlı yöntemler de kullanıyoruz. Belirli bir fizyolojiyi temsil eden özel bir gen tipi olabilir ve bu topluluğa girerek bu genin kaç varyasyonunun mevcut olduğunu ve bu anahtar genleri kodlayan organizmaların kimler olduğunu sorgulamaya başlayabiliriz.

Böylece, azot metabolizmasıyla ilişkili genlerin çeşitliliğini ve karbon metabolizmasının temel yönlerini inceleyerek, bu arka bağırsakta fonksiyonel olarak neler olup bittiğini analiz etmeye başlayabiliriz. Ayrıca, termitlerdeki organizma çeşitliliğini değerlendirmek için gen tabanlı mekanizmalar veya gen tabanlı yaklaşımlar da kullanabiliriz. Bu toplulukta gerçekte kaç türün bulunduğunu ve belki de hangi bollukta olduklarını, ayrıca saf kültürlerimizin bu çeşitliliği aslında nasıl yansıttığını belirlemek için ribozomal RNA genlerini marker genler veya barkodlar olarak kullanabiliriz. Bu nedenle, laboratuvarımda bir dizi gen tabanlı teknik kullanıyoruz.

Ayrıca, bu mikrobiyal ekosistemin tüm genom içeriğini inceleyerek bu toplulukta gerçekleşen tüm farklı metabolizmalar hakkında bir fikir edinmeye çalıştığımız metagenomik çalışmalarıyla da uğraştık. Dolayısıyla laboratuvarımda saf kültürleri inceliyoruz. PCR destekli gen tabanlı teknikler ve metagenomik kullanıyoruz; ayrıca bu hindgut'ta mevcut olan enzimatik aktiviteleri inceliyoruz.

Ayrıca, organizmaların bağırsaktaki konumlarını ve diğer hangi hücrelerle etkileşime girdiklerini öğrenmek için mikroskopi kullanıyoruz. Toplamda yapmak istediğimiz şey, arka bağırsakta kaç türün bulunduğunu, tümlerinin ne yaptığını ve birbirleriyle nasıl etkileşime girdiklerini anlamaktır. Mikrobiyal toplulukları incelemenin, doğadaki diğer topluluklardan farklı olan bir dizi zorluğu vardır.

Biliyorsunuz, ormanda veya savanada yürüyüşe çıkıp yol boyunca karşılaştığınız farklı bitki ve hayvan türlerini gözlemlemek nispeten kolaydır. Topluluk ekolojisinde, son yüz yıl boyunca, belirli bir toplulukta kaç bitki veya hayvan türünün bulunduğuna ve bu toplulukta onlarla ne sıklıkla karşılaştığınıza dair sorular sormaya yönelik birçok yöntem geliştirilmiş ve yaklaşım benimsenmiştir. Ardından, bu organizmaların bazılarının kendi toplulukları içindeki süreçleri gözlemleyerek, karşılaştıkları çevresel dinamiklere ve çevresel olumsuzluklara karşı ne tür adaptasyonlar geliştirdiklerini görmek mümkündür.

Bildiğiniz üzere, savanadaki bir fili veya aslanı izleyebilir; adaptasyonlarındaki bazı davranışlarını, enerjilerini ve besinlerini nasıl elde ettiklerini ve birbirleriyle nasıl etkileşim kurduklarını gözlemleyebilirsiniz. Gözle görebildiğiniz organizmalar olan mikropları incelediğinizde, tüm bunlar oldukça basit bir şekilde gözlemlenebilir. Ayrıca, bir bitkiyle mi yoksa bir hayvanla mı uğraştığınızı ayırt etmek de oldukça kolaydır.

Türler açısından değil, ne yaptıkları açısından bahsediyorum. Bir organizmaya bakıp, neredeyse kesin olarak bunun bir fototrof olduğunu, yani güneş radyasyonunu absorbe edip bu enerjiyi yararlı bir şeye dönüştüren bir organizma olduğunu söyleyebilirsiniz. Ya da bir etçil hayvana bakıp, bu hayvanın enerji kaynağı olarak öncelikle protein kullandığını söyleyebilirsiniz.

Havana topluluğunda veya bir orman topluluğunda yürürken yapabileceğiniz pek çok gözlem vardır. Mikrobiyal toplulukları incelediğinizde bu tür gözlemler yapmak ve sonuçlara varmak çok daha zordur. Organizmalar küçüktür ve çok iyi bir mikroskobunuz olsa bile, farklı organizmaların birbirinden nasıl ayrıldığı her zaman açık değildir.

Yani, bir mikrobiyal topluluğa kendi başına baktığınızda, orada kaç tür olduğunu ve bunların göreceli dağılımlarının ne olduğunu söylemek çok zor olabilir. Ayrıca, söz konusu mikrobiyal topluluğu bir mikroskop kullanarak incelemek ve bu organizmalar ne yapıyor sorusuna yanıt vermek de oldukça zor olabilir. Dolayısıyla, mikrobiyal topluluklardaki temel sorun, orada kimlerin olduğunu ve ne yaptıklarını belirlemektir.

Bu nedenle, mikrobiyal toplulukların incelenmesinde; toplulukta kimlerin bulunduğuna, kimlerin aktif olduğuna, bu organizmaların neler yaptığına, çevrelerindeki değişimlere nasıl tepki verdiklerine ve bu değişimlere karşı adaptasyonlarının neler olduğuna dair bilgi edinmek için farklı teknikler kullanmamız gerekmektedir. Yaklaşık 1990 yılına denk gelen 17 yıl önce termit bağırsak mikrobiyal topluluklarının incelenmesine ilk ilgi duymaya başladığımdan beri, genel olarak alanımda birçok teknolojik gelişme yaşandı; bu gelişmeler benim ve diğerlerinin mikrobiyal topluluklar ve özel olarak benim için termit bağırsak toplulukları hakkında çok daha fazla şey öğrenmemize olanak sağladı. Bunlar, büyük ölçüde gen tabanlı tekniklerdir.

Termitler üzerine çalışmaya ilk başladığımda, mikroskopi kullanabiliyordunuz; termitler gibi bir mikrobiyal topluluğu inceleyebilir, bu toplulukta bulunan farklı şekilleri değerlendirebilir ve belki de bu toplulukta kaç farklı türün bulunduğuna dair yaklaşık bir tahmin yürütebilirdiniz. Ancak son 15-17 yıl içinde, gen tabanlı ve genomik tekniklerin sayısı o kadar arttı ki, termit arka bağırsağı gibi mikrobiyal topluluklardan bilgi çıkarma yeteneğimiz gerçekten çok hızlı bir şekilde değişti. Artık farklı organizmaları ve ortamları tanımlamak için genleri neredeyse barkod belirteçleri olarak kullanabiliyoruz.

Termit arka bağırsağı gibi bir mikrobiyal topluluğa girip, bu çeşitliliğin vekilleri olarak belirli genleri kullanarak kaç farklı türün mevcut olduğunu tespit edebiliriz. Ayrıca, bu geni, söz konusu organizmaların kültürde olup olmadığını takip etmek için bir barkod olarak kullanabilir veya farklı türlerin bu topluluktaki bolluk değişimlerini izlemek için bu barkottan yararlanabiliriz. Diğer gen tabanlı teknikleri kullanarak, "Ah, bu özel enzimler için kodlayan genler bu toplulukta mevcut mu?" diye sorabiliriz.

Peki kaç varyasyon var, yani bunu katalize eden kaç organizma türü mevcut ve bu organizmaları kültür olarak elimizde tutabiliyor muyuz? Mikrobiyal toplulukları incelemek için gen destekli ve PCR (polimeraz zincir reaksiyonu) destekli pek çok yaklaşım geliştirilmiştir ve bunlar mikrobiyal toplulukları anlama biçimimizi radikal bir şekilde değiştirmiştir. Tüm bu değişimler son 20 yıl içerisinde gerçekleşmiştir.

Termitlerin ve bağırsak mikroplarının incelenmesi, hem temel araştırma veya akademik araştırma düzeyinde hem de biyoteknolojik ve uygulamalı araştırma düzeyinde ilgi çekicidir. Termitler odunu yer ve parçalar. Benim için, termitlerin ve bağırsak mikroplarının, doğanın ilk kompozit malzemesi olan oduna aslında hangi mekanizmalarla saldırdığını anlamaya çalışmak çok önemlidir.

Bu üç katmanlı bir laminat kompozittir ve oldukça dayanıklı bir malzemedir. Bu böceğin ve bağırsak mikrobiyotasının bu kompoziti nasıl deamine ettiğini ve ardından tüm bileşenlerini hem böcek hem de mikroplar tarafından yakıt olarak kullanılabilecek ürünlere nasıl parçaladığını gerçekten anlamak benim için çok büyüleyici; aynı zamanda bunun biyoteknoloji ve endüstri açısından da temel bir önemi vardır.

Bir toplum olarak, bunu gerçekten tam olarak anlamış değiliz. Odunun nasıl parçalandığına dair aslında çok az şey biliyoruz. Günümüzde, bitkisel lignoselülozun; örneğin pirinç kabuklarının, mısır koçanlarının veya şekeri sıkıldıktan sonra kalan şeker kamışı artıklarının nasıl parçalandığını daha iyi anlamaya yönelik ciddi bir ilgi vardır.

Düşük değerli lignoselüloz hammaddelerini nasıl alıp daha yüksek değerli etanol, hidrojen, metan veya başka herhangi bir ürüne dönüştürebileceğimizi anlamaya yönelik büyük bir ilgi vardır. Aslında üzerinde düşünülmesi gereken asıl önemli nokta, termitlerin sürekli olarak lignoselülozik odunları parçalamaları ve bunları kendi biyoyakıtlarına dönüştürmeleridir; endüstriyel açıdan ise oduna yönelik bu ilk saldırıda yer alan enzimlerin neler olduğunu anlamaya yönelik büyük bir ilgi bulunmaktadır.

Ve belki de o zaman bu enzimleri alıp onları diğer ardışık süreçlerle birleştirerek, günümüzde endüstride ve doğada gerçekleşenlerden farklı, ancak en iyilerin en iyisini bir araya getirerek yeni bir süreç oluşturmak ve odunu ilgi çekici bir ürüne dönüştürmek mümkün olabilir. Etanol, hidrojen, metan veya başka herhangi bir şey; benim laboratuvarım temel olarak bu mikrobiyal topluluğun temel düzeyde anlaşılmasına ve bu topluluğun konakçıyla etkileşimine ve lignoselüloz yıkımında konakçının mikrobiyal toplulukta oynadığı role odaklanmaktadır.

Ancak bu bilgilerin bir kısmını alıp yeni endüstriyel süreçlerin geliştirilmesinde kullanmaya yönelik önemli bir ilgi vardır. Son iki yılda biyoyakıtlar üzerine pek çok tartışma yapıldığını ve bunun, biyoyakıt araştırmalarının gerekliliğine ve hatta vaat ettiklerine olan ilgiyi artırdığını düşünüyorum. Dürüst olmak gerekirse, finansman girişimlerinin seviyesinin, konuya gösterilen ilgiyle orantılı olduğunu düşünmüyorum.

Biyoyakıtlar için bir Manhattan Projesi bulunmamaktadır. Biyoyakıt araştırmalarıyla ilgili temel araştırmalara yönelik herhangi bir dramatik, büyük ölçekli yatırım yapılmamıştır. Lignoselüloz yıkımına dair temel anlayışımız şu an için çok yetersiz olduğundan, bir biyoyakıt girişimi başlatacak olursak, bunu mümkün kılmak için temel akademik araştırmalardan endüstriye kadar her seviyede odaklanmış yatırımların yer alması gerektiğini düşünüyorum.

Ve eğer insanlar bunun iki, beş veya 10 yıl içinde gerçekleşmesini istiyorsa, insanların bunu gerçekleştirmek için zaman ve emek harcamalarını sağlamak amacıyla fon yatırımı da yapmamız gerekecek. Son 20 yılda, mikrobiyal toplulukları incelemek için gen tabanlı teknikleri kullanma yeteneğimiz çok hızlı bir şekilde ilerledi. Sanırım hepimiz önümüzdeki beş ila 10 yıl içinde neler olabileceğine dair biraz hayal kurabiliriz ve bence 10 yıl içinde her bir türün tüm genomunu tanıma, dizileme ve analiz etme kapasitesine sahip olma şansımız oldukça yüksek.

Termit arka bağırsağında en az 250 tür bulunmaktadır ve bence her bir türün genom içeriğini bildiğimiz bir bilgi arşivine, tabiri caizse bir dosya dolabına sahip olma fırsatımız olacak. Bu çok çarpıcı bir bulgu olacak çünkü sadece 10 yıl önce, çok iyi anlaşılan mikroorganizmaların genomlarını ilk kez dizilemeye başlamıştık. Bir 10 yıl sonra ise, karmaşık mikrobiyal toplulukların içine girebileceğimizi, daha önce hiçbir şekilde detaylı incelemediğimiz organizmaların genom bilgilerine erişebileceğimizi ve bunları, bu organizmalar üzerindeki çalışmaları ilk kez ileriye taşımak için kullanabileceğimizi düşünüyorum.