Evrimsel değişimin video kaydı yayımlandı

Artan antibiyotik seviyelerine uyarlanan (adapte olan) bakteri topluluklarının evrimsel değişiminin video kaydı paylaşıldı.

bilimsoL - Ozan Gönensin Bozdağ

Biliminsanları evrimsel değişimi genellikle, işlenmiş bir cinayetin olay örgüsünü ve katil zanlısını araştıran bir dedektif gibi çalışırlar. Yani, nasıl dedektif cinayet olup bittikten sonra suç mahalline geliyorsa, biliminsanı da evrim gerçekleştikten sonra devreye girer.

Diğer taraftan evrimsel değişim, nesil süreleri göreli kısa olan (mikroplar, kurtçuklar, sinekler, vd.) organizmaların laboratuvar ortamında nesiller boyu büyütülüp yeni çevresel koşullara adapte olarak evrilmelerinin izlenmesi ile daha doğrudan çalışılınabilinir. Bu yöntem, suç mahalline suç gerçekleştikten sonra gitmek yerine, suçun bir tür provasını tetikleyerek olacakları izlemeye benzer.

Bu deneysel yöntemi izleyerek, bakterilerin laboratuvarda atalarını öldüren seviyelerde antibiyotik miktarlarlarına direnç gösterecek topluluklara evrilmelerini çalışan biliminsanları, yaratıcı bir düzenek ile evrimsel değişimi kamera kaydına aldılar. Heyecan verici bu çalışmanın sonuçları Science dergisinin Eylül 2016 sayısında yayınlandı.

Çalışmanın yaratıcı olarak nitelenen kısmı, aratırmacıların bakterileri büyütmek için dizayn ettikleri besin-ortamının farklılığında yatıyor. Laboratuvarda bakterilerin deneysel evrimi çoğunlukla sıvı besin-ortamında hücrelerin çalkalanarak büyütülmesine dayanır. Fakat bakteriler, örneğin insan sağlığını tehdit eden türler, fiziksel olarak çok daha durağan katı ve yarı-katı yüzeylerde yaşıyorlar. Araştırmacılar bu doğal koşullara daha uygun olan uzamsal büyümeye olanak verecek bir ortamı taklit ederek, 60 santimetreye - 120 santimetre boyutunda, "devasa" bir katı besin-ortamı dizayn ediyorlar. Şimdiye kadar kullanılan küçük katı bakteri besin ortamlarından defalarca büyük olan (MEGA-besiyeri isimli) bu besin ortamının uç kısımlarına antibiyotik içermeyen besini yerleştiriyorlar. Besin ortamının ortalarda kalan bölgelerine ise kademeli biçimde artan miktarlarda atasal bakteri topluluklarını öldürecek miktarlarda antibiyotik ilave ediyorlar. Ardından ilgili besin/antibiyotik ortamının tepesine bir kamera yerleştirip olacakları izlemeye başlıyorlar.

Deneylerde, antibiyotiğin olmadığı uç kısımlarda hızla bölünerek çoğalan bakteri topluluğu iki gün içinde büyük bir nüfusa ulaşıyor. Topluluğun üyeleri antibiyotik içeren ilk bölgenin sınırına ulaştığında topluluğun bu yeni bölgeye yayılması duruyor; fakat yalnızca bir süre için.

Bu noktada evrimsel değişimin ögeleri önem kazanıyor. Antibiyotik içermeyen kısımda bulunan milyonlarca bakteri hücresi evrimsel değişimin "hammaddesi" olan, DNA’larının farklı bölgelerinde atalarından farklanarak ortaya çıkmış, yepyeni mutasyonlar ile “doğmuş” durumdalar.

İşte topluluğun belli bireylerinde bulunan mutasyonlardan küçük bir oranı, antibiyotiğe direnç sağlayan, örneğin antibiyotiğin hücre zarına zararlı etki yapmasını veya antibiyotiğin hücrenin içine sızmasını engelleyen, “faydalı” özellikler taşıyor. İşte bu “faydalı” (direnç sağlayan) mutasyonları taşıyan bireyler bir süre sonra antibiyotik içeren bölgelere doğru (kamera kaydında çok net ayırdedilir biçimde görüldüğü gibi) ilerlemeye başlıyorlar. Topluluk böylece antibiyotiğe dirençli genetik yapıya sahip bir topluluğa evrilmiş ve atasal topluluktan farklılaşmış oluyor.

İlk öldürücü antibiyotik barajını evrimsel uyarlanım ile aşan bakteri toplulukları, daha fazla miktarlarda antibiyotik içeren diğer bölgelere, genomlarında meydana gelen ve toplulukları daha da yüksek miktarda antibiyotiğe dirençli kılan yeni-ek mutasyonların etkisi ile, yayılmaya devam ediyorlar.

Biliminsanlarının dizayn ettikleri bu büyük (60 cm - 120 cm) besin ortamı, evrimsel değişimin hem genetik hem fenotipik dönüm noktalarından çok basit biçimde sadece göz ile görüp seçerek örnekler toplanıp incelenmesini olası kılıyor. Sol ve sağ kısımlarda (yatay eksende ‘0’ rakamı ile gösterilen başlangıç noktaları) antibiyotik içermiyor. Bakterilerin kimyasala-yönelim hareketi ("kemotaksis") ile ilgili besin ortamında hareket kabiliyetine sahip olduğu unutulmamalı. Her iki uçtan ortaya doğru gittikçe, kademeli biçimde artan ölümcül antibiyotiğe direncin bakteri topluluğunda evrilmesi fotoğrafta görülmekte. Her bir yeni renk ile belirtilmiş nokta, evrimsel değişime yol vermiş antibiyotiğe direnç sağlayan mutasyonları içeren soyları göstermekte. Şekildeki denemede en yüksek antibiyotik miktarı atasal topluluk için ölümcül olan antibiyotik seviyesinin 3 bin katı daha fazla miktarda antibiyotik içeriyor (en ortada bulunan bölge).

 

Antibiyotik direncinin evrimine dair paylaşılan rakamlar çok çarpıcı: Bakteri soylarından bazıları, ataları için öldürücü olan minimum antibiyotik miktarının 10 bin ve hatta 100 bin katı daha fazla antibiyotik içeren besin ortamlarına uyarlanıyorlar.

Tüm bu evrimsel değişim ortalama sadece 250 saatin biraz üzerinde bir zaman içinde gerçekleşmekte.

Çalışmada bulunan ilginç sonuçlardan bir diğeri, araştırmacıların dizayn ettikleri besin ortamının uzamsal özellikleri ile ilişkili: Daha yüksek antibiyotik seviyesi içeren ortama ulaşan soylar, her zaman için en iyi büyüyen ve en dirençli mutasyonları taşıyan, yani ‘evrimsel yetisi’ (İng.: “fitness”) en yüksek olan soylar değil. Bunu incelemek için araştırmacılar, daha fazla antibiyotik içeren yeni bölgelere evrilerek ulaşan bazı soylar ile az daha geride olup yeni besin bölgesini içeren sınır bölgesinden uzak kalmış bazı soyların evrimsel yetilerini karşılaştırıyorlar. Geride kalıp evrimsel olarak tarih olmuş bazı soylar, evrimsel tarihte ileri doğru adım atmış, direncin evrildiği diğer bazı soylardan daha yüksek evrimsel yetiye sahip olabiliyorlar.

Daha önce yapılan sıvı besin ortamında antibiyotik direncinin evrimi çalışmalarında bu tip örüntüler farkedilemiyordu. Sıvı ortamda konumdan kaynaklı bir elenme ihtimali olmuyor, çünkü sıvı tüpün her noktasında doğal seçilim aynı etkiyi gösteriyor.

Çalışmanın diğer çok önemli getirisi ise evrim eğitimi ile ilgili. Makale ile birlikte paylaşılan video kayıtları, evrimin okullarda çocuklara görseller ile anlatımında faydalanılabilecek mükemmel bir kaynak oluşturuyor (*). 100 bin defa daha ölümcül olan antibiyotik miktarına bir mikrop topluluğunun sadece 10'larca saat içirişinde gerçekleşen evriminin, 1-2 dakikalık bir kayıt ile izlenmesi, ardındaki evrimsel-genetik sebepler üstüne düşünülüp okunması, ve bu sonuçların uzamsal olarak defalarca daha geniş olan gezegenimiz ve yaklaşık 4 milyar yıllık evrimsel süreç bağlamı ile paralel olarak düşünülüp tartışılması, üniversite-öncesi evrim eğitimi için çok faydalı olacaktır. Elbet burada üniversite-öncesi evrim/bilim eğitimi verilen kurumlar derken, kamunun topluma bilimsel bilgi ve bilimsel düşünceyi yayma çabasında olması gerektiği, düşünce sistemetiği ile hareket eden eğitim kurumlarından bahsediyoruz.

 

* Videolar:

https://www.youtube.com/watch?v=GHI45garS3g

https://www.youtube.com/watch?v=yybsSqcB7mE

 

İlgili makale:

Baym vd. Spatiotemporal microbial evolution on antibiotic landscape. Science 353, 1147 (2016)