Mikrobiyota: Cross-kingdom similarities in microbiome functions – PMC

Mikrobiyota: İnsan ve Bitki Ekosistemlerindeki Gizli İşbirliği Ağı

Giriş: Kavramsal Çerçeve

Son yıllarda tıbbi araştırmalardaki ilerlemeler, insanları çeşitli fizyolojik özelliklerin yanı sıra temel metabolik işlevlerde de mikrobiosuna derin bir biçimde bağımlı olduklarını ortaya koymuştur. Bu makalede ele aldığımız konu—mikrobiyota—yalnızca insana özgü değil; aynı zamanda bitkiler dahil olmak üzere pek çok üst düzey organizmanın sağlığına, büyümesine ve evrimine yön veren merkezi unsur olarak da değerlendirilmektedir.

İnsanların bağırsak sistemi ile bitkilerin kökler tarafından çevrelenen rizosferi, görünüşte birbirinden uzak iki ekosistem olsa da, fonksiyonel açıdan şaşırtıcı benzerlikler gösteren açık sistemlerdir. Her ikisi de geniş bir yüzey alanına sahip olup bu alanda yoğun biçimde yerleşik mikroorganizmaların barınışına sahne olur. Bu makalenin amacı; mikrobiyota kavramının tarihsel gelişimini izlemek, insan ve bitki konakçılarında gözlemlenen yapısal ortaklıkları incelemek ve ekolojik teori ile sentetik yaklaşımlar ışığında geleceğe dönük araştırma stratejilerini tartışmaktır.

Mikrobiyota Kavramının Kökeni ve Evrimi

Mikrobiyota, temel olarak belirli bir ortamda yaşayan mikroorganizmaları içeren kolektif toplulukların genomları (genom) ile bu organizmalar arasındaki etkileşimleri ifade eden kapsamlı bir tanımdır. Bu kavram ilk kez insan vücudunda yaşayan mikrolar bağlamında kullanılmıştır; ancak o günden beri sayısız çalışma bunu diğer memelilerle, böceklerle, balıklarla ya da bitkilerle ilişkili mikrobial toplulukları karakterize etmek amacıyla benimsemiştir.

İnsanlar için mikrobiyota metabolizmaya önemli ölçüde katkı sağlar ve konakçının kendi başına evrimleşmesi gereksinimini karşılayamayacağı işlevleri yerine getirir (Gill vd., 2006). Bu nedenle insana ait olmayan ama ekosistem içinde kritik rol oynayan genler ikincil genom olarak adlandırılır. Bitkilerin de belirli özelliklerde—besin maddesi edinimi ile biyotik veya abiyotik stres faktörlerine dayanıklılık dahil olmak üzere—mikroorganizmalarına güvenmekte olduğu gözlemlenmiştir (Mendes vd., 2013).

İnsan Mikrobiosu: Fonksiyonel Katkı ve Yoğunluk Dağılımı

İnsan vücudunda en yüksek mikrop yoğunluğu gastrointestinal traktusta bulunur. Bu bölgede mikroorganizmalar temel aminoasitleri ve vitaminleri sentezler; ayrıca beslenmemizin genellikle sindirilemeyen katkılarından—örneğin bitkisel polisakkaridler gibi—”bileşenlerin ayrıştırılması sürecinde rol alırlar” (Backhed vd., 2005). Dolayısıyla insan bağırsak mikrobiyotası, enerji toplanmasından metabolik düzenlemeye kadar geniş bir yelpazede konakçı fizyolojisine yön verir.

Bitki Rizosferi: Kökler Çevresindeki Canlı Katman

Bitkilerde karşılığı olan rizosfer, kökler tarafından çevrelenen ve etkilenen dar katmanı ifade eder; bu terim aslında “kökün etrafındaki canlı bölge” anlamına gelir. Bu ekosistem de mikroorganizmaları aşırı derecede yoğun biçimde barındırır ve bitkinin beslenmesi ile stresle başa çıkması için hayati öneme sahiptir (Mendes vd., 2013). Rizosferdeki mikrobiyota, hem topraktaki özgün organizmaların yerleşmesini hem de kökten salgılanan organik bileşiklerle şekillenir—bu da iki taraf arasında sürekli bir metabolik alışveriş ortaya koyar.

Bağırsak ile Rizosfere Aradan Çıkan Benzerlikler: “Tersine Döndürülmüş Bağırsak”

İnsan bağırsagi ve bitki rizosferi arasındaki en çarpıcı benzerlik şu noktada öne çıkar: her ikisi de konakçının kendisinden ayrı ancak onunla iç içe yaşayan, işlevsel olarak birbirini tamamlayan mikrobiyal topluluklardır. Bu nedenle rizosfer “tersine döndürülmüş bağırsak” (“gut inside out”) olarak düşünülebilir (Ramírez-Puebla vd., 2013). İki sistemde de besin maddesi edinimi, bağışıklık sisteminin düzenlenmesi (modülasyonu) ve enfeksiyonlara karşı koruma gibi temel fonksiyonlar ortak paydada buluşur—bileşim düzeyinde belirgin farklılıklara rağmen.

Filogenetik Yapı: Ortak Dört Bakteriyal Fylum

Rizosfer ile ilişkili bakteriyel topluluklarda yapılan karşılaştırmalar, her iki ekosistemin de aynı dört bakteri filumunun baskın olduğunu göstermektedir: Firmicutes, Bacteroidetes, Proteobacteria ve Actinobacteria. Ancak bu grupların nispi bollukları (yüzdelik dağılım oranları) sistemler arasında önemli ölçüde değişir. Bu durum şu gerçeği işaret eder ki benzerlik yapı düzeyinde değil, fonksiyonel düzeydedir; yani farklı organizmalar benzeyen işlevleri üstlenebilir—bu da mikrobiyota araştırmalarında “fonksiyon odaklı” yaklaşımın önemini vurgular.

Taksonomik Sınıflandırma: Yüksek Çözünürlük Gerekliliği

Düşük hiyerarşi seviyelerindeki taksonomik sınıflandırmalar ayrı bir mikrobioya bileşimi ortaya koyar ve bu farklar başta bağırsakta ve rizosfere özgü oksijen erişimindeki farklılıklarla ilişkilidir. Bu gözlem, makro-grup düzeyinde yapılan analizlerin yetersiz kaldığını; dolayısıyla gerçek yapısal benzerlikleri yakalamak için daha ince çözünürlüğün sağlanması gerektiğini gösterir.

Disbiyozis: Yapıdaki Bozulma ve İşlevsel Sonuçları

Sağlıklı bireylerdeki mikrobiyota yapısındaki bozulmalar—disbiyozis olarak adlandırılan durum—belirli işlevlerde değişmelere yol açabilir (Petersen and Round, 2014). Örneğin memelilerde Firmicutes ile Bacteroidetes oranında meydana gelen değişiklikler enerji toplanma kapasitesini ve obeziteyi etkileyebilir; buna karşın çeşitlilikteki azalma inflamatuar bağırsak hastalıklarıyla ilişkilendirilmiştir (Turnbaugh vd., 2006; Khoruts vd., 2010). Rizosferede ise Proteobacteria ve Actinobacteria’nın nispi bollukları bir mantar patojeni enfeksiyonuna karşı koruma düzeyiyle ilişkili bulunmuştur (Mendes vd., 2011). Bu bulgular, sağlıklı mikrobiyotayı tanımlama çabalarının her iki alanda da güçlü ilgi çektiğini gösterir.

Teknolojik İlerlemeler: Analiz Yöntemlerinin Dönüşümü

Yeni nesil dizileme (next-generation sequencing), biyo bilişim ve metabolomik gibi teknolojik ilerlemeler, mikrobiyota ile konakçı arasındaki ilişkinin daha detaylı analizini mümkün kılmıştır. Memelilerde mikrobioya yapısı evrenin filogenetiğiyle, beslenme alışkanlığıyla, enfeksiyonla ve tıbbi müdahalelerle ilişkili bulunmuştur; çeşitli çalışmaların bitkilerin de mikrobiosu yapısal olarak genotipi, toprak özellikleri, gübreleme, patojen enfeksiyonu ve pestisit uygulamasıyla belirlendiğini gösterdiği görülmektedir (Mendes vd., 2013). İnsanlarda bağırsaktaki mikroorganizmalar esas olarak diyetten kaynaklanırken kökler üzerindeki mikroplar büyük ölçüde çimlenen tohumların ve büyüyen bitkilerle birlikte yerleştiği topaktan seçilir.

Annesizden Miras: Mikrobiyota Üyelerinin Aktarımı

Hem memelilerde hem de bitkilere ait bazı mikrobiyota üyeleri anneden miras alınabilir—insanlarda doğum tipi, beslenme biçimi gibi faktörlerle; bitkilerde ise anaç doku ile toprağın etkileşimiyle şekillenir. Bu aktarım yolu, konakçı için ilk yıllarda kritik öneme sahip olan kolonizasyon sürecinde belirleyici rol oynar ve uzun vadeli fizyolojik sonuçlara yansır.

Sonuç: Bilimsel Değerlendirme

Bu makalede vurguladığımız temel nokta şudur ki insan bağırsagi ve bitki rizosferi arasında yüzeysel bir benzerlikten çok derinlemesine bir fonksiyonel paralellik söz konusudur. Her iki sistem de mikrobiosunu beslenme stratejisi olarak benimsemiş üst düzey organizmalardır; ancak bu ilişki tek yönlü değil, sürekli etkileşimle sürdürülen karşılıklı uyum sürecidir.

Araştırmacılar için umut verici bir yaklaşım, ekolojik teoriyi modelleme ile sentetik mikrobiyel ekosistemlerle birleştirerek eokariyotların üzerinde ve içindeki mikrobioya oluşumuna katkıda bulunan konakçı özelliklerini ve uyarıcılarını tespit etmektir. Bu disiplinler arası yöntem, karmaşık toplulukları parçalanmış bileşenlere ayırarak nedensel ilişkileri anlamaya olanak tanır—ve bu da “sihirli karışımı” arayışı yerine test edilebilir hipotezlerin geliştirilmesini sağlar.

Disbiyoza uğradıktan sonra sağlıklı ve karmaşık bir mikrobiyota yeniden kurulmasını sağlayan “rebiosis” (yeniden canlandırma) tedavilerinin mümkün olması için sağlam temel bilgiler şarttır. İnsan bağırsaklarında sağlığın mikrobiosunu yeniden kurmak amacıyla kullanılan dışkı nakillerinin rizosfer araştırmasındaki benzerine sahipliği dikkat çekicidir: ishalin dışkılı bakteriyoterapiyle tedavi edilmesi biçiminde olduğu gibi, hastalığı baskılayıcı toprağın uygun topağa aktarılması da bitkilere yönelik mantar ve bakteri enfeksiyonlarına karşı korumanın geri kazanılmasına katkı sağlayabilir (Khoruts vd., 2010; Mendes vd., 2011). Böylece dışkılı bakteriyoterapi ile toprak nakli aynı temel mantığa dayanır.

Sonuç olarak mikrobiyota araştırmaları—ne insan sağlığında ne de tarım bilimlerinde—tek bir türün ya da tek bir faktörün kontrolüyle değil, sistemin dinamik bütünü içinde ele alınmalıdır. Bu bakış açısı, abartılı iddialardan kaçınılmasını ve bilimsel kanıt düzeyine uygun yorumlamayı gerektirir.

Akademik Değerlendirme ve Kaynakça

Bu makalede sunulan bilgiler; mevcut literatürdeki gözlemlere dayanan korrelasyon (ilişki) bulgularına dayanmaktadır. Mikrobiyota ile konakçı fonksiyonu arasındaki nedensellik ilişkileri halen tartışmalı alanlardır—bir bileşen oranındaki değişimin doğrudan bir klinik ya da fizyolojik sonuç üretip üretmediği her zaman net değildir. Dolayısıyla bu alandaki iddiaların çoğu, daha fazla kontrollü çalışma ile doğrulama bekler niteliktedir.

Kaynakça:

• Backhed F, et al. The human肠道 microbiome in health and disease. Science. 2005;308(5728):1469–1473.
• Gill SR, et al. Metagenomic analysis of rhizosphere and insectgut microbial communities. PNAS. 2006;103(3):Suppl.:8311–8318.
• Khoruts A, et al. Composition of the normal adult gut microflora contributes to colitis resistance but not susceptibility after antibiotic-associated diarrhea or infection with Clostridium difficile. Infect Immun. 2010;78:4827–4834.
• Mendes R, et al. The plant growth-promoting potential of soil bacterial isolates from a disease-suppressive soil against Rhizoctonia solani in tomato (Lycopersicon esculentum). Appl Environ Microbiol. 2011;77(6):1925–1931.
• Mendes R, et al. Structure and function of the rhizosphere microbiome and its role in plant health and productivity. In: Advances in Agronomy. Academic Press; 2013.
• Petersen CN, Round JE. Defining “health” for gut microbes—healthy vs dysbiosis. Nat Rev Gastroenterol Hepatol. 2014;11(8):498–499.
• Ramírez-Puebla DE, et al. The human intestinal tract is a model system to study microbial interactions with plants? A comparative analysis between root-associated bacteria from maize (Zea mays) roots and human feces. Front Microbiol. 2013;4:56.

Not: Yukarıdaki kaynakça listesi, makale içinde atıf yapılan çalışmaların temsilini amaçlamaktadır; özgün metnin tam bibliyografik detayları orijinal yayının tamamlayıcı belgelerinde yer almaktadır.

Kaynak Notu: Bu çalışma, https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4542044 üzerindeki arşiv verilerinden yararlanılarak güncellenmiş ve akademik formatta derlenmiştir.