Mikroakiskan kullanarak Bakteriyel Kemotaksis Çalışmaları - Röportaj

Benim adım Roman Stocker. MIT'deki İnşaat ve Çevre Mühendisliği Bölümü'nün bir parçası olan Ralph Parsons Laboratuvarı'nda ikinci yıl yardım doçentiyim. Aslen İtalyalıyım ve akışkanlar mekaniği eğitimi aldım.

Bu nedenle geçmişim daha çok fiziksel bilimler üzerine, ancak son iki yılda, aslında üç yıldır, daha çok çevresel ve biyolojik konulara yöneldim. İki yıl önce, mikrobiyal ekolojideki sorunları incelemek için mikroakışkanlar geliştirmeye başladım ve bu mikro cihazları kullanarak, mikron ölçeğindeki olgular için tipik ekolojik sorular geliştirebiliyoruz. Çalışmalarımız öncelikle, okyanusta yüzebilen ve besin kaynaklarını takip edebilen alg organizmalarıyla ilgilidir.

Özellikle bakteriler, yüzmek için çok zekice yöntemler geliştirmişlerdir ve burada küçük bir gösterimim var. Bakteri başı hemen hemen bir elipsoiddir. Bunun yaklaşık iki mikron boyutunda olduğunu hayal edin.

Bakterinin arka kısmında bir veya daha fazla kamçı bulunur. Bu kamçılar, bakterinin döndürebildiği helikal yapılardır. Bu dönme hareketi, bakterinin gerçek anlamda ileriye doğru yüzmesini sağlayan bir itki üretir.

Bakterilerin bunu gerçekleştirme yöntemleri farklıdır; farklı yüzme stratejileri mevcuttur ve araştırmamızın odaklandığı konulardan biri de budur. Bakterilerin okyanusta yüzmelerinin nedeni, besin kaynaklarını daha iyi kullanabilmektir ve bu durum son 15 veya 20 yılda gerçekleşen bir paradigma değişiminin parçasıdır. Bundan önce, okyanusun metreler ile onlarca metreler arasındaki ölçeklerde homojen bir besin çorbası olduğu düşünülürdü ve okyanusun bu tasvirinde, bakteriler gibi küçük ölçekli organizmaların önemli bir rol oynamadığı, yalnızca okyanus akıntılarıyla pasif olarak taşındıkları öğretilirdi.

Ancak 10 veya 15 yıl önce, okyanusta aslında durumun böyle olmadığı ve gerçekte bu küçük ölçekli organizmaların okyanus sağlığını ve dolayısıyla küresel iklimimiz gibi unsurları belirleyen en önemli aktörler arasında olduğu fark edildi. Bunun iki nedeni vardır. Birinci neden, bu organizmaların okyanusun her yerinde bulunmaları ve toplam biyokütlelerinin diğer tüm deniz organizmalarının biyokütlesini açık ara geride bırakmasıdır.

İkinci ve belki de en temel neden, bu küçük ölçekli organizmaların besin kaynaklarını, özellikle de karbonu kullanarak, besinleri besin ağının diğer bileşenleri için geri dönüştürebilmeleri ve böylece okyanustaki trofik zincirin diğer yönlerini ve kısımlarını önemli ölçüde yoğunlaştırabilmeleridir. Tüm bunların arasında çalışmamız, öncelikle yüzen organizmalar ile besin yamaları arasındaki etkileşime odaklanmaktadır. Bakteriler sadece yüzme yeteneğine sahip olmakla kalmaz, aynı zamanda besin gradyanlarını algılayıp tespit edebilirler.

Yani, yaşam koşullarının ne zaman iyileştiğini anlayabilir ve besin gradyanları boyunca yukarıya doğru yüzebilirler. Bunu, kemotaksi olarak bilinen bir süreçle gerçekleştirirler. Kemotaksi, bir kimyasal gradyanı algılama ve ona doğru yüzme yeteneğidir.

Laboratuvarda asıl çalıştığımız konu budur; mikroakışkanlar ise bakterilerin kemotaktik ve yüzme yeteneklerini incelememize, böylece bunların okyanus sağlığının belirlenmesindeki önemini anlamak için rollerini ekstrapole etmemize ve ölçeklendirmemize olanak tanıyan bir araçtır. Geçtiğimiz bir buçuk yıl içinde, bakterileri tipik olarak okyanusta karşılaşılan farklı koşullara maruz bırakmamıza imkan veren mikro cihazlar kurduk. Daha önce belirttiğim gibi, tipik besin yamalarının yanı sıra örneğin türbülansa da maruz bırakabiliyoruz.

Şu ana kadar bulduğumuz şey, deniz bakterilerinin bu besin yamalarından yararlanmak ve okyanustaki çok çeşitli türbülans koşullarına yüzerek karşı koyabilmek için oldukça verimli bir şekilde adapte olmuş göründükleridir; bu durum onları, kendi bakış açılarından tipik olarak bir besin çölü olan ve besinlerin üç boyutlu bir su sütununda yalnızca dağınık ve çok nadir yamalar halinde bulunduğu bir okyanusta hayatta kalmak için çok uygun hale getirmektedir. Aynı zamanda, çevrelerindeki su şiddetli bir şekilde hareket ederken bile yüzebilmeleri, türbülansla mücadele edebilmeleri ve dolayısıyla besin kaynaklarını takip edebilmeleri mümkündür. Yer Sistemi Girişimi, gezegenimizin gerçekte nasıl çalıştığını daha iyi anlamakla ilgilenen farklı disiplinlerden birçok insanı bir araya getiren çok ilginç bir girişimdir. Kısaca, Yer Sistemi Girişimi'nin amacı, gezegen için de halihazırda yaptığımız ve uzun süredir yapageldiğimiz şeyin aynısını yapmaya çalışmaktır.

Kendi sağlığını anlamaya çalışan insan vücudu için, günümüzde gezegenin sağlığını anlamak, örneğin küresel ısınma ve sera gazları konusundaki endişeler nedeniyle özellikle önemlidir ve dünya sistemi girişimi kapsamındaki çeşitli çalışmalar, gezegenin sağlığını daha iyi anlamaya yöneliktir. Çalışmamız, okyanustaki karbon döngüsünün bir bileşenini inceleyerek bu sürece katkıda bulunmaktadır. Özellikle daha önce belirttiğim gibi, küçük ölçekli organizmaların, bilhassa yüzen bakterilerin, okyanustaki bu büyük ölçekli döngüleri nasıl etkileyebileceğini anlamaya çalışıyoruz; bu durumun okyanustaki küresel karbon döngüsü ve dolayısıyla Atmosfer de dahil olmak üzere dünya genelindeki küresel karbon döngüsü üzerinde etkileri vardır.

Bu alandaki şimdiye kadarki tüm çalışmalarımız, tek bir temel teknolojik gelişme sayesinde mümkün olmuş ve hatta bu gelişme tarafından tetiklenmiştir; bu da mikroakışkanlardır. Son 10 yılda mikroakışkanlar, özellikle Boston Cambridge bölgesinde gerçekten ilgi çekici ve etkileyici bir araç haline gelmiştir. Mikroakışkan teknolojisinin güncel formunun öncüsü, yumuşak litografi sürecini ve mikro cihaz fabrikasyonunda PDMS kullanımını tanıtan Harvard'dan Profesör George Whitesides'tır.

O zamandan beri, mikroakışkanların uygulamaları çok çeşitli alanlarda eksponansiyel olarak artmıştır. Kimya mühendisliğinden sağlık bilimlerine kadar, bu teknolojiyi mikrobiyal ekolojiye ve okyanustaki mikroorganizmaların yüzmesiyle ilgili bazı küçük ölçekli sorunları çözmeye uygulamaya başladık. Özetle, küçük ölçekler ve okyanusun doğası gereği sunduğu değişkenlik nedeniyle, bu süreçleri doğrudan okyanusta incelemek zor, hatta imkansızdır; boyutları yaklaşık bir mikron olan bakterileri okyanusta doğrudan in situ olarak henüz görselleştiremiyoruz ve aynı zamanda insanlar bu süreçleri, örneğin sayısal veya teorik olarak modellemeye çalışmışlardır ancak bu biyoloji olduğu için zorunlu olarak varsayımlara dayanmanız gerekir.

Örneğin, bir bakterinin yüzme stratejisi veya kemotaksi stratejisi hakkında varsayımlarda bulunmanız gerekecektir; bu nedenle, bu alanda ilerleme kaydetmek için gerçek deneylere ihtiyaç duyulur. Mikroakışkanlar, okyanusun küçük bölgelerini ve küçük parçalarını laboratuvara taşımamıza ve aynı zamanda bakterileri ve mikroorganizmaları hem besinler hem de akışlar açısından gerçekçi çevresel koşullara maruz bırakmamıza olanak tanır. Aynı zamanda, video mikroskopi ve hücre takibi kullanarak, tekil bakterilerin davranışlarını, yaklaşık 10 yıl önce mümkün olmayacak şekilde bu sorular üzerinde ilerleme kaydetmemizi sağlayan, çok dikkatli bir şekilde kontrol edilmiş bir yöntemle inceleyebiliriz ve tüm bunlar teknolojik gelişmelere, özellikle de mikroakışkanlara borçludur.

Bu alanda önümüzde duran iki temel zorluk olduğunu görüyorum. Daha önce de belirttiğim gibi, bunlardan ilki, bir noktada bu soruları okyanusa taşıyabilmektir. Nihayetinde okyanusa gitme ihtiyacının nedeni, bu süreçlerin doğasında bulunan tüm değişkenliği yakalayabilmektir.

Örneğin, çöken bir partikülden gerçekte nelerin sızdığı, ne tür besin maddelerinin mevcut olduğu veya bakterilerin laboratuvarda ne tür kimyasal bileşiklere doğru kemotaksi gerçekleştirdiği hakkında hâlâ bir fikrimiz yok. Bu koşulların yalnızca en basitlerini inceleyebiliyoruz; ancak okyanusta gerçekte meydana gelenler, nihayetinde doğrudan situ içinde keşfetmemiz gereken karmaşık ve oldukça değişken süreçler bütünüdür. Bu durum; örnekleme, görüntüleme ve birkaç kez belirttiğim gibi yalnızca birkaç mikrometre mertebesindeki ölçeklerde ve pikolitre düzeyindeki hacimlerde kimyasal ve biyolojik analizler yapma açısından büyük bir zorluk teşkil etmektedir.

Ele alınması daha kolay olduğunu düşündüğüm ikinci zorluk, davranışların üç boyutlu olarak görselleştirilmesidir. Şu anda laboratuvarda yaptığımız her şey iki boyutludur. Mikroorganizmaların yörüngelerini ve birikimlerini görselleştirmek için geleneksel mikroskopi kullanıyoruz; ancak dijital holografi olarak bilinen bir tekniğin, önümüzdeki üç ila beş yıl içinde bize bu yapıları üç boyutlu, dolayısıyla daha sadık ve daha gerçekçi bir şekilde takip etme imkanı sunacağı ve böylece önümüzdeki beş yıl içinde ekolojiyi gerçekçi bir şekilde yakalayabileceğimiz konusunda büyük umudumuz var.

Örneklemede üç boyutlu yaklaşımlar denemenin ve belki de okyanustaki örnekleme süreçlerine yönelik ilk, temel ve basit adımları atmaya çalışmanın yanı sıra, bu çalışmaları bu organizmaların genomik yapısını anlama yönündeki süregelen çabalarla kesinlikle ilişkilendirmek istiyoruz. Özellikle dünya sistemi girişimi kapsamında, sahadaki bu bakterilerin genetik kompozisyonunu ve genetik açıdan değişkenliğini anlama konusunda büyük bir ivme vardır. Aynı zamanda genomik, bulguları organizmaların davranışlarıyla doğrudan ilişkilendirme yeteneğinden yoksundur; mikroakışkanların ve bu daha davranışsal, klasik ekolojik çalışmaların sürece katacağı katkının da bu olacağını umuyoruz.

Deniz bakterilerinin genomiği üzerinde çalışan harika bir düzeneğimiz ve mükemmel bir ekibimiz var; onlarla iş birliği yaparak, okyanusta hangi bakterilerin bulunduğunu ve bunların okyanusun ve gezegenin sağlığını belirlemedeki rollerini daha iyi anlamak için bu iki temel soruyu birbirine bağlayabilmeyi umuyoruz.