Bakterilerin virüsleri kendi genetik materyallerini değiştirmek için kullandığı keşif, mikrobiyoloji alanında önemli bir gelişme olarak dikkat çekiyor. Araştırmacılar, bakterilerin geçmişte enfekte edici virüslerden evrilmiş “gen aktarım ajanları” (GTA) adı verilen yapılar aracılığıyla birbirleriyle genetik bilgi alışverişi yaptığını ortaya koydu. Bu mekanizma, antibiyotik direnci gibi hastalık yaymaya yönelik genlerin bakteriler arasında nasıl aktarıldığını açıklıyor ve insan sağlığı ile biyoteknolojide yeni uygulamaların kapısını açabiliyor.
Bu süreç, yatay gen aktarımı olarak adlandırılan bir türdür ve genetik bilginin yalnızca hücrenin nesilleri tarafından miras alınması yerine, ilişkili bakteriler arasında paylaşılmasını sağlar. GTA’lar bakterilere yeni özellikler kazanma ve hastalıkla ilgili genleri yayma gücü verdiği için, bu yapıların incelenmesi antibiyotik direncinin yayılımıyla mücadele eden uygulamaların anlaşılmasına yardımcı olabiliyor.
Kanlı virüslerin torunları
Araştırmacılar 2000 yılında, Rhodobacter capsulatus adlı bakteriden GTA genlerini izole etti ve bu genlerin hücrelere yapmaları için talimat verdiği proteinleri analiz etti. Yaptıkları analizde, söz konusu proteinlerin “kuyrulu fajlar” olarak bilinen virüs sınıfında bulunan proteinlerle yapısal açıdan büyük benzerlik taşıdığı tespit edildi.
Bu bulgu, bir gen aktarım ajanının bir virüse yalnızca yüzeysel biçimde benzemediğine dair ilk kanıt niteliği taşyordu. Takip eden çalışmaların sonuçları ise diğer bazı GTA’ların da eski virüslerden türetildiğini gösterdi.
Son yıllarda GTA genleri, kedi sıyrığı ateşi ve tifo gibi hastalıklardan sorumlu etkenler başta olmak üzere çeşitli bakterilerde; ayrıca bol miktarda bulunan deniz organizmalarında tespit edildi. Bu geniş dağılım, GTA’ların mikrobiyal dünyada ne kadar yaygın olduğunu ortaya koyuyor.
Yeni ve avantajlı özellikler
Bakterinin küçük ve rastgele seçilmiş bir gen örneği, bir gen aktarım ajanının başını oluşturan geometrik biçimli bir protein yapısı içine paketlenirken, diğer proteinler tüp biçiminde bir kuyruk oluşturuyor. Aşağıdaki görüntüde R. capsulatus’un gen aktarım ajantı elektron mikroskobunda (solda) ve kriyojenik-elektron tomografik yapısıyla (sağda, ChimeraX görselleştirme programını kullanarak gösterildi) görünüyor.
Bu yapıların çalışma biçimini anlamaya yönelik çalışmalar, gen aktarım ajanlarının gerçek dünyadaki uygulamalar için nasıl kullanılabileceğine dair yeni kapılar açıyor.
Araştırmacılar
GTA’lanın bakteriden salındıktan sonra, GTA’yı süsleyen esnek proteinler hedef hücrenin yüzeyine bağlanır ve onu oraya sabitler. Ardından, GTA’lanın başı içindeki genetik materyal, kuyruk aracılığıyla ve hücre zarında bulunan bakteri proteinlerinin desteğiyle hedef hücreye aktarılır.
Hedef hücrenin içinde diğer proteinler gelen DNA’ya bağlanır ve onu hücrenin genomuna yerleştirir. Genlerin hücrenin tüm biyolojik faaliyetleri için şablon görevi görmesi nedeniyle bu süreç, bakterinin yeni ve avantajlı özellikler kazanmasını sağlayabilir.
Mahşere varan fedakarlık
Bakteri, genetik bilgiyi değiştirmenin getirdigi yararlarla maliyeti arasında bir den kurmak zorundadır. Gen aktarım ajanlarını saldırmak için orijinal hücre patlar ve ölür. Bir popülasyon içindeki çoğu hücre hayatta kalır çünkü yalnızca küçük bir alt küme, gen aktarım ajanları üretmek için gerekli olan genleri açmaya izin verir.
Bu hücreler fedakarlık yapan (altruistik) davranış sergiler ve genetik materyallerini yaymak için kendilerini feda eder; böylece hedef hücrelerin değişen bir ortamda uyum sağlama ve hayatta kalma şansını artırabilecek yeni gen kombinasyonlarının oluşmasını kolaylaştırır.
Bir GTA üreten bakteri hücresinin bu fedakarlığı yapmanın mantıklı bulunduğunu düşündüğü birkaç koşul vardır. Bunlardan biri, protein üretimi için gerekli olan özellikle amino asitler olmak üzere besin kaynaklarının tükenmesidir. Bu durumda ortaya çıkan yeni gen kombinasyonları hücrenin daha önce ulaşamayacağı besinleri elde etmesini sağlayabilir.
Başka bir koşul ise hücrenin komşu hücrelerin yaydığı kimyasal bir sinyale tepki vermesi ve yakında çok sayıda ilişkili hedef hücre bulunduğundan haberdar olmasıdır. Bu senaryoda hücre, kendi ölümünün birçok akrabasına fayda sağlayabileceğini fark eder.
Saygınlık gösteren antibiyotik direnci genleri
Araştırmacılar GTA’ların nasıl çalıştığını anlamaya yönelik büyük ilerlemeler kaysetselerde, yatay gen aktarımı süreçlerini gerçek dünyadaki uygulamalar için kullanabilmek adına keşfetmemiz gereken daha birçok konu bulunuyor. Örneğin, ilk laboratuvar göstermelerinden biri Rhodobacter capsulatus bakterisinde gerçekleşmiş ve antibiyotiklerce öldürülmeyi engelleyen genetik materyalin aktarımını içermişti.
Bilim insanları o günden bu yana GTA’lanın antibiyotik direnci genlerini paylaşmayı sağladığı birçok örneği ortaya çıkardı ve artık bu sürecin ayrıntılarına dalıyor; böylece bu alışverişi engelleyecek ve antibiyotik direncinin yayılımıyla mücadeleye yardımcı olacak stratejiler ortaya koyuyor.
Bulaşıcı hastalıkları tedavi etmenin yeni yolları
Daha önce belirtildiği gibi, Nature Microbiology dergisinde yayınlanan güncel bir çalışma, silindiğinde bakterilerin patlayıp antibiyotik direnci genlerini yayabilecek GTA parçacıklarını saldırmalarını engelleyen bir grup geni işaretledi.
GTA üreten bir hücrenin kendiliğinden ölmesi aynı zamanda zararlı bakterileri öldürmeye ve potansiyel olarak bulaşıcı hastalıkları tedavi etmeye yönelik yeni yöntemler için de ilham kaynağı sağlıyor. Buna rağmen bu avantajdan yararlanabilmek için, önce popülasyonların hangi üyelerinin GTA üretme yeteneğine sahip olduğunu ve dolayısıyla ölüme mahkum olduğunu nasıl kontrol ettiğini; ayrıca bu hücrelerin oranını nasıl artırabileceğimiz anlaşılmalı.
Gen aktarım ajanlarını tamamen anladığımızda, bu bilginin kullanılabileceği muhtemelen daha birçok potansiyel uygulama ortaya çıkacak.
