Modül 4 – Metabolomik: mikroorganizmaların çevresel stres faktörlerine tepkisini incelemek

1. GİRİŞ

1.1. Metabolitlerin tanımlanması ve miktarının belirlenmesi için metabolomik

Metabolomik, proteomik, genomik ve transkriptomik ile birlikte en yeni “omik” bilimlerden biridir. Bu üç bilim, hücredeki DNA’nın (genomik), RNA’nın ve mRNA ifadesindeki farklılıkların (transkriptomik) incelenmesiyle yakından ilişkilidir ve belirli bir zamanda bir hücredeki düşük moleküler ağırlıklı bileşiklerin tamamının (metabolom) incelenmesiyle metabolomik ile tamamlanır.

Metabolomik, vücuttaki metabolik süreçler tarafından üretilen organizmaların hücrelerindeki, dokularındaki ve biyolojik sıvılarındaki küçük moleküller olan metabolitlerin incelenmesine odaklanan yeni bir biyoloji, tıp ve çevre bilimleri dalıdır (Şekil 4.1). Farklı fizyolojik koşullar veya hastalıklar altında hücrelerin, dokuların veya tüm organizmanın metabolik aktivitesindeki değişiklikleri anlamak için belirli bir organizmanın metabolik profilini analiz etmeye odaklanır.

Şekil 4.1. Escherichia coli için bir metabolik ağ modeli örneği

Metabolitler (küçük moleküller) amino asitler, karbonhidratlar, lipidler, nükleotidler ve hücresel süreçlerde kilit rol oynayan metabolizmanın diğer son veya ara ürünleridir. Bunlar hücrede meydana gelen süreçlerin son ürünleridir ve bu nedenle metabolom biyolojik bir hücre, doku veya organizmadaki tüm metabolitleri içerir. Metabolomlar enerji (glikoz) sağlamak, hücre yapısını korumak, katalitik aktiviteyi göstermek veya enzimler üzerindeki uyarıcı ve inhibe edici etkileri göstermek ve organizmayı korumak gibi farklı işlevleri yerine getirir.

Metabolomik, metabolitlerin hücrelerin yaşamı ve işlevlerindeki rolü göz önüne alındığında çok önemlidir. Belirli çevresel koşullar altında tanımlanmış bir zamanda numunenin ve içindeki bileşiklerin profili hakkında bilgi sağlar. Organizmanın fizyolojik durumu hakkında önemli bir bilgidir. Metabolomik, sağlıklı ve hastalıklı bir organizma arasındaki, geleneksel ve genetiği değiştirilmiş kültürler arasındaki vb. binlerce molekülün seviyeleri arasındaki farkları belirleyebilir.

Metabolomik, herhangi bir biyoakışkan, hücre, doku veya organizmanın biyokimyasal fenotipinin (veya metabotipinin) tamamını hem niteliksel hem de niceliksel olarak inceler. Genetik ve çevresel faktörler küçük moleküllerin durumunu, kimyasal süreçleri ve bunların biyolojik bir hücre, doku veya organizmadaki (metabolom) etkileşimlerini etkileyebilir. Metabolomik, biyolojik örneklerdeki (örn. kan, idrar, doku) tüm metabolitleri belirleyerek, farklı koşullarda veya hastalıklarda konsantrasyonlarını değerlendirerek ve hücrelerdeki biyokimyasal reaksiyonların nasıl değiştiğini anlamak için metabolik yolları haritalandırarak metabolitleri keşfetmeyi amaçlamaktadır.

Metabolomikte en yaygın kullanılan yöntemler, metabolit seviyelerini ölçmek için çeşitli analitik teknikleri içerir (Tablo 4.1.). Metabolomik uygulamaları çeşitli alanları kapsamaktadır (Tablo 4.2.).

Tablo 4.1. Metabolit seviyelerinin ölçümü için kullanılan analitik teknikler.

Yöntem	Uygulama
Kütle spektrometrisi (MS)	Molekül kütlesinin ve bileşiminin doğru bir şekilde belirlenmesini sağlar.
Nükleer manyetik rezonans (NMR)	tanımlar ve miktarını belirler
Gaz kromatografisi (GC)	Uçucu ve yarı uçucu metabolitleri ayırır

 

Tablo 4.2. Metabolomik uygulama alanları.

Saha	Uygulama
Tıp	– İnsan sağlığı, metabolik yollar ve hastalıklar arasında neden-sonuç ilişkileri kurmak; – Hassas tıbbı ve bireyselleştirilmiş tedavi yaklaşımlarını desteklemek için kullanmak – Teşhis ve tahmin için biyobelirteçler geliştirmek çeşitli hastalıklar, vücudun biyokimyası ve dış uyaranlara verdiği tepkiler hakkında daha derin bir anlayış kazanmak.
İlaç endüstrisi	– İlaçların metabolizma üzerindeki etkilerini belirlemek; – Farmasötik uygulamalar için potansiyele sahip yeni biyoaktif bileşikler keşfetmek.
Tarım	– Bitki, hayvan ve toprak sağlığını değerlendirmek ve verimi artırmak için yeni yöntemler geliştirmek; – Bitkilerin çeşitli stres faktörlerine karşı metabolik tepkilerini değerlendirmek ve hastalıklara, zararlılara veya aşırı iklim koşullarına dayanıklı ürün çeşitleri geliştirmek; – Kaynakların daha verimli kullanılması için bitkilerdeki metabolitleri analiz ederek tarımsal uygulamaları optimize etmek.
Gıda endüstrisi	– Kalite ve güvenliğini değerlendirerek gıda sağlığını iyileştirmek.
Ekotoksikoloji	– Çevresel kimyasalların organizmaların metabolizması üzerindeki etkisini değerlendirmek, kirleticilerin riskini değerlendirmek ve ekosistemlerin korunması için stratejiler geliştirmek.

1.2. Çevresel metabolomiklerin potansiyeli

Çevresel metabolomik, ekosistemle ilgili önemli sorunları çözmeyi amaçlamakta ve büyük bir potansiyel ortaya koymaktadır:

• Organizmalarınçeşitli çevresel faktörlere yanıt olarak ürettiği metabolik profillerin tanımlanması;
• Çevredeki toksik maddelerin tanımlanması ve miktarının belirlenmesinin ardından kirliliğin izlenmesi. Organizmalardaki metabolitlerin analizi, ağır metaller, pestisitler ve diğer kimyasallar gibi kirleticilerin varlığını gösterir.
• Bazı bakteriler metabolik süreçleri yoluyla toksik maddeleri ayrıştırabildiğinden, su ve toprağın kirleticilerden arındırılması için yeni teknolojilerin geliştirilmesi.
• Çevresel stresin değerlendirilmesi ve iklim, toprak koşulları, kirlilik ve diğer çevresel stres faktörleri gibi çeşitli faktörlerin doğal koşullarda bitki, hayvan ve mikroorganizmaların metabolizması üzerindeki etkisi.
• Organizmaların fizyolojik adaptasyonlar veya toksikolojik etkiler gibi çevresel değişikliklere verdiği tepkiyi açıklamak için stres biyobelirteçlerinin tanımlanması. Ekosistemin sağlığının göstergesi olarak hizmet eden spesifik metabolitlerin tanımlanması.
• Adaptasyon mekanizmalarının tanımlanması – organizmaların metabolizmasının farklı ortamlarda hayatta kalmak için uyarlanması, gelecekteki iklim değişikliğine veya diğer çevresel zorluklara karşı dirençlerinin tahmin edilmesi.
• Farklı türlerin metabolik profillerini analiz ederek, ekosistemlerin genel sağlığını değerlendirerek ve kirlilik veya iklim değişikliği gibi çevresel sorunları veya tehditleri belirleyerek ekosistemlerin sağlığını izlemek.

Çevresel metabolomik, diğer birçok ülkede olduğu gibi Bulgaristan’da da hala nispeten yeni bir alandır, ancak çeşitli bilimsel ve pratik bağlamlarda gelişme ve uygulama için büyük bir potansiyele sahiptir.

1.3. Veri yorumlamada çevresel metabolomiklerin zorlukları

Çevresel metabolomik, organizmalar ve çevreleri arasındaki kimyasal etkileşimleri incelemek için güçlü bir yaklaşımdır ve büyük ve çeşitli veri setleri oluşturur. Verilerin yorumlanması genellikle çeşitli nedenlerden dolayı zordur:

• Örneklerin karmaşıklığı ve heterojenliği – metabolomik analizler genellikle binlerce metaboliti ve yeterince çalışılmamış karmaşık bilinmeyen bileşikleri tanımlar. Toprak, su veya sediment gibi çevresel numuneler, organik ve inorganik bileşiklerin karmaşık karışımlarından oluşan heterojen numunelerdir ve analizi zorlaştırır. Ayrıca, bazı metabolitler düşük konsantrasyonlarda bulunur ve bu da tespit edilmelerini ve miktarlarının belirlenmesini zorlaştırır.
• Standardizasyon ve tekrarlanabilirlik – veri çıkarma, analiz ve işleme için farklı metodolojilerin uygulanması, standartlaştırılmış protokollerin olmaması nedeniyle karşılaştırılamaz sonuçlara yol açabilir. Ayrıca, farklı ekipman ve analitik yöntemlerin uygulanması, yeniden üretilmesi zor verilerin doğruluğunu ve güvenilirliğini etkiler. Ekipman farklı hassasiyet ve aralığa sahiptir. Numunelerdeki diğer maddelerden gelen arka plan sinyalleri, spesifik metabolitlerin tanımlanmasını zorlaştırır.
• Verilerin yorumlanması – benzer kimyasal özelliklere sahip izomerlerin varlığı ve mevcut veri tabanlarında karşılıklarının bulunmaması bunların ayırt edilmesini zorlaştırmaktadır.
• Diğer “omik” verilerle entegrasyon – metabolitler ve çevresel faktörler arasındaki ilişkinin belirlenmesi her zaman neden-sonuç ilişkilerinin anlaşılmasına yol açmaz. Bu nedenle metabolomik, genomik, proteomik veya transkriptomik ile birleştirme gibi diğer “omik” verilerle entegre edilir. Bu farklı seviyelerdeki verilerin entegrasyonu, sofistike biyoinformatik yaklaşımlar ve doğru yorumlama gerektirir.
• Sonuçların sunumu – büyük hacimli verilerin anlaşılabilir ve erişilebilir bir şekilde sunulmasındaki zorluk ve çok boyutlu verilerin etkili bir şekilde görselleştirilmesi genellikle özel yazılım ve beceriler gerektirir.

Bu zorluklara yönelik potansiyel çözümler arasında daha iyi analiz ve yorumlama için daha hassas ve yüksek verimli analitik teknolojilerin, veri tabanlarının ve standartlaştırılmış protokollerin, çok değişkenli istatistiksel yöntemlerin ve makine öğreniminin kullanılması yer almaktadır. Çevresel metabolomiklerin geliştirilmesi, ekosistem etkileşimlerinin ve sürdürülebilir yönetimlerinin daha iyi anlaşılmasına olanak tanıyan bu zorlukların üstesinden gelinmesine bağlıdır.

2. EKOSİSTEMLERİN METABOLOMİK ÇEŞİTLİLİĞİ

Ekoloji, organizmalar ve içinde yaşadıkları çevre arasındaki etkileşimleri inceleyen bir bilim dalı, biyolojinin bir dalıdır. Ekolojinin ana çalışma konusu, belirli bir coğrafi alanda birbirine bağlı bitki, hayvan ve diğer organizma ağları olan ekosistemlerdir. Ekometabolomik, metabolomu, toplam metabolit sayısını ve çevresel değişikliklere yanıt olarak değişimlerini analiz eder.

Tür ve genetik çeşitlilik iyi bilinen kavramlar olsa da, metabolomik çeşitlilik nispeten keşfedilmemiş olarak kalmaktadır. Canlı organizmalardaki küçük moleküllerin (metabolitlerin) çeşitliliğini temsil eder. Metabolomik çeşitliliğin kaynakları temel olarak toprak, su ve bitkilerdeki mikroorganizmaların yanı sıra koruma, iletişim ve çevreye uyum için ikincil metabolitler üreten bitki ve hayvanlardır. İklim, toprak tipi, su mevcudiyeti, besin maddeleri gibi birçok faktör metabolik profilleri etkiler.

Metabolomik çeşitlilik, bir ekosistemdeki farklı organizmalar, bunların metabolik yolları ve çevrenin fizikokimyasal koşulları arasındaki karmaşık etkileşimlerin sonucudur. İnsan faaliyetleri, iklim değişikliği ve diğer faktörler ekosistemlerin metabolomik çeşitliliği üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Örneğin, ağır metal kirliliği bitki ve hayvanların metabolizmasında değişikliklere yol açabilir ve iklim değişikliği ekosistemdeki belirli metabolitlerin dağılımını etkileyebilir.

Metabolomik çeşitlilik, ekosistemlerin işleyişi ve değişime uyum sağlama kabiliyetleri açısından temel öneme sahiptir. Bunun incelenmesi, türler arasındaki etkileşimleri ve çevredeki biyotik ve abiyotik faktörler arasındaki ilişkiyi daha iyi anlamaya, gezegenimizin sağlığı hakkında değerli bilgiler sağlamaya ve çevrenin korunması için daha etkili stratejiler geliştirmeye yardımcı olur (Şekil 4.2).

Şekil 4.2. Ekosistem metabolomik çeşitliliğinin etkileri.

3. METABOLOMİK VE ÇEVRESEL MİKROBİYOLOJİ

3.1. Doğal mikrobiyal toplulukların metabolomik çalışmaları

Mikroorganizmalar, Dünya üzerindeki hemen hemen her habitatta en bol bulunan yaşam formlarıdır. Boyutlarına rağmen ciddi hastalıklara neden olabilir, kirlenmiş toprakları ve suları temizleyebilir ve küresel iklimi değiştirebilirler. Mikroorganizmaların çeşitliliği, metabolik çeşitlilikleri gibi etkileyicidir, ancak keşfedilmemiş çok şey vardır. Bazı mikroorganizmalar aşırı koşullar altında gelişir. Ekolojik transkriptomik ve proteomik çalışmalar, ekstremofil topluluklarında aktif olan metabolitleri ortaya çıkarmıştır. Metabolomik yöntemler, genellikle çevresel matrisle ilgili çok çeşitli deneysel karmaşıklıklar nedeniyle diğer omik teknolojilerin gerisinde kaldığından, fizyolojileriyle doğrudan ilişkili metabolitler daha az iyi tanımlanmıştır.

Topluluk proteomiği ve transkriptomiği, in situ olarak bir arada bulunan mikroorganizmaların potansiyel işlevi hakkında bilgi sağlayabilir. Ancak bu analizler, organizmanın fizyolojik veya fenotipik durumu için temel olan küçük moleküllü metabolitler için mümkün değildir. Doğal mikrobiyal topluluklar, birbirleriyle ve çevreyle etkileşim halinde olan milyarlarca mikroorganizmadan oluşan karmaşık ekosistemlerdir. Bu topluluklar organik maddenin ayrışması, besin döngüsü ve biyojeokimyasal döngüler gibi birçok doğal süreçte kilit rol oynamaktadır. Bu toplulukların işleyişini anlamak için metabolomik çalışmalar da dahil olmak üzere çeşitli yöntemler kullanılmaktadır.

Analitik tekniklerdeki gelişmeler, bilinen ve bilinmeyen binlerce mikrobiyal metaboliti aynı anda ölçerek bu çeşitliliğin incelenmesine olanak tanır ve böylece mikrobiyal metabolomiklerin ortaya çıkmasına neden olur.

3.2. Mikrobiyal toplulukların kolektif metabolomunun analizi

Mikrobiyal metabolomik, ister monokültürlerde, ister laboratuvarda, ister karmaşık ekolojik topluluklarda yaşasınlar, mikropların içindeki ve dışındaki metabolitleri ölçerek mikrobiyal metabolizmanın tüm yönlerini incelemeyi amaçlamaktadır. Metabolomik çalışmaların doğal mikrobiyal topluluklara uygulanması, toplulukta aktif olan biyokimyasal süreçler ve metabolik yollar, farklı mikrobiyal türlerdeki mikroorganizmalar arasındaki etkileşimler ve çevresel değişikliklere yanıt olarak topluluk metabolizmasındaki değişiklikler hakkında bilgi edinmemizi sağlar.

Doğal mikrobiyal toplulukların metabolomik çalışmaları, mikrobiyal dünyanın karmaşıklığını ve çeşitliliğini anlamak için bize yeni fırsatlar sunan ve hızla gelişen bir bilim alanını temsil etmektedir:

• İyon homeostazı, redoks durumu, besin döngüsü, enerjetik ve hücre- hücre sinyali gibi hücresel süreçlerde yer alan temel hücre içi ve hücre dışı metabolitlerin keşfedilmesi.
• Ekosistem işlevlerini ve mikrobiyal toplulukların ekosistem işleyişine nasıl katkıda bulunduğunu anlamak.
• Tıp, eczacılık ve biyoteknolojide potansiyel uygulamaları olan yeni maddelerin zengin bir kaynağı oldukları için yeni biyoaktif bileşiklerin keşfedilmesi.
• Mikrobiyal toplulukların metabolomik profilleri aracılığıyla çevresel izleme, çevresel kaliteyi değerlendirmek için biyobelirteç olarak kullanılabilir.

Mikrobiyal toplulukların metabolomik çalışmaları şu alanlarda kullanılmaktadır:

• Toprak mikrobiyomlarının metabolik profilini karakterize ederek ve toprak verimliliği ve bitki büyümesi üzerindeki etkilerini değerlendirerek toprak mikrobiyomlarını incelemek.
• İnsan sağlığı için bağırsak mikrobiyotasının analizi, bağırsak mikrobiyotasının bileşimi ile obezite, diyabet ve inflamatuar bağırsak hastalıkları gibi çeşitli hastalıklar arasındaki ilişki.
• Kirliliklerinin etkisini değerlendirmek ve su kalitesini izlemek için yeni biyobelirteçler keşfetmek amacıyla su ekosistemlerinin izlenmesi.

3.3. Doğal mikrobiyal topluluklar

Çevreye bağlı olarak, mikrobiyal topluluklar farklı ekolojik nişlere adapte olurlar. Ekolojik nişlerin çeşitliliği, ekosistemdeki ışık, sıcaklık ve besin mevcudiyetindeki farklılıklar nedeniyle büyüktür. Akışlar, sıcaklık dalgalanmaları ve ultraviyole radyasyon tarafından doğal olarak düzenlenir. Mikrobiyal topluluklar yaşamın sürdürülmesi için kritik öneme sahiptir ve yaşanılan çevrenin kimyasal ve fiziksel özellikleriyle yakından ilişkilidir. Ekolojik nişlerinin incelenmesi, küresel ekosistem süreçlerinin anlaşılmasına yardımcı olur. Tablo 4.3’te özetlendiği gibi, doğal ortamlarda çok çeşitli mikrobiyal topluluklar bulunmaktadır.

Tablo 4.3. Doğal ortamlardaki mikrobiyal toplulukların çeşitliliği.

Mikrobiyal topluluk	Mikroorganizma türleri
Yüzey suları (nehirler, göller, denizler ve okyanuslar)	– Planktonik mikroorganizmalar – bakteriler, arkeler, fitoplanktonlar ve zooplanktonlar, su sütununda serbestçe yüzerler. Karbon ve oksijen döngülerinde rol oynarlar. – Parietal mikroorganizmalar bitki ve kaya yüzeylerinde yaşayarak biyofilmler oluşturur. – Anahtar gruplar fotosentez yapan siyanobakteriler ve organik maddeyi ayrıştıran heterotrofik bakterilerdir.
Yeraltı suyu: besin açısından fakir ortamlara ve oksijen ve ışığa sınırlı erişime adapte olmuştur	– Enerji için inorganik bileşikler kullanan kemoototroflar; – Anaerobik bakteriler, metanojenik arkeler, sülfat indirgeyen bakteriler ve denitrifikasyon bakterileri; – Kayaların gözeneklerinde bulunan endolitik mikroorganizmalar, minimum düzeyde hayatta kalır.
Toprak: organik madde geri dönüşümü, toksinlerin ayrışması ve elemenlerin emiliminde önemli rol oynayan en çeşitli topluluklar	– Bitkilerin köklerinin yakınında yaşayan rizobakteriler, burada simbiyoz gerçekleştirirler; – Organik maddeyi parçalayan ve humus oluşumuna katılan ayrıştırıcılar; – Bitkilerde veya toprakta hastalıklara neden olan patojen mikroorganizmalar.
Diğer ortamlar	– Volkanik kaplıcalar, tuz gölleri ve ekstremofillerin (termofiller ve halofiller) yaşadığı buzullar; – Hava ortamı: atmosferde aerosol olarak bulunan ve rüzgarlarla yayılan mikroplar; – Deniz sedimanları: Düşük oksijen basıncı altında organik bileşikleri metabolize eden anaeroblar.

3.4. Mikrobiyom çeşitliliğinin işlevsel öneminin ortaya çıkarılması 

Mikrobiyom çeşitliliğinin ve bununla ilişkili metabolomik çeşitliliğin işlevsel öneminin ortaya çıkarılması, entegre istatistiksel yaklaşımlar ve özel analiz araçları gerektirir. Bu yöntem ve araçları kullanarak, metabolomik çeşitliliği özetlemenin yanı sıra işlevsel bir yorumlama yapmak da mümkündür. Çoklu atomik verilerin birleştirilmesi, mikroorganizmalar ve çevreleri arasındaki etkileşimlerin daha derinlemesine anlaşılmasını sağlar. Bu verilerin karakterize edilmesi ve özetlenmesi için ana adımlar ve yaklaşımlar şunlardır:

• Veri toplama ve ön işleme – mikrobiyom ve metabolomik veriler için
• Mikrobiyom çeşitliliği değerlendirmesi – Alfa çeşitliliği (bir numune içindeki çeşitlilik), Beta çeşitliliği (numuneler arasındaki farklılıklar).
• Spesifik metabolomların tanımlanması ve metabolitlerin sınıflandırılması, fonksiyonel gruplara karşı istatistiksel analizler vb. yoluyla metabolomik çeşitlilik karakterizasyonu.
• Kanonik Korelasyon Analizi (CCA), Procrustes Analizi veya farklı veri türlerini ve makine öğrenimini birbirine bağlama yöntemlerini kullanarak mikrobiyom ve metabolomik veri entegrasyonu.
• Mikroplar ve metabolitler arasındaki ilişkiler için ısı haritaları ve fonksiyonel etkileşimler için Ağ Analizi ile veri özetleme ve görselleştirme.
• Araçlar ve yazılım – Mikrobiyom analizleri için QIIME 2. Metabolomik analizler için MetaboAnalyst (istatistiksel analizler için phyloseq, vegan, mixOmics gibi R paketleri) ve modelleme ve görselleştirme için scikit-learn, seaborn ve matplotlib gibi Python paketleri.

4. ÇEVRESEL METABOLİTLER ÜZERİNE LABORATUVAR ÇALIŞMALARI

Çevresel metabolitlerin laboratuvar çalışmalarının modellenmesi, doğal ekosistemlerde meydana gelen karmaşık biyokimyasal süreçlerin anlaşılması için güçlü bir araçtır. Deneysel verileri ve matematiksel modelleri birleştirerek, metabolik ağların daha eksiksiz bir resmini elde edebilir ve çevre koruma için yeni stratejiler geliştirebiliriz. Matematiksel modeller ve bilgisayar simülasyonları kullanarak deneysel koşulları simüle edebilir, büyük miktarda veriyi analiz edebilir ve gözlemlenen olayların altında yatan mekanizmalar hakkında hipotezler oluşturabiliriz. Laboratuvar çalışmalarının modellenmesi, aşağıdakiler gibi çeşitli avantajlar sağlar:

– Modellemenin metabolik süreçleri etkileyen çoklu faktörler arasındaki doğrusal olmayan etkileşimleri simüle etmemizi sağladığı karmaşık ekosistemlerin daha iyi anlaşılması.

– Belirli süreçleri gözlemlemek için en uygun koşulları belirleyerek deneyleri planlayarak ve optimize ederek deneylerin optimizasyonu.

– Çevresel değişikliklerin metabolik süreçleri nasıl etkileyeceğini tahmin ederek ve bu değişikliklerin potansiyel sonuçlarını değerlendirerek gelecekteki olayların öngörülmesi.

– Modelleme yoluyla büyük veri analizi, üretilen büyük miktarda metabolom verisini analiz etmemize ve yararlı bilgileri verimli bir şekilde çıkarmamıza olanak tanır.

Çevresel metabolitlerin laboratuvar çalışmalarını simüle etmek için geliştirilen farklı modeller Şekil 4.3’te sunulmuştur.

Şekil 4.3. Çevresel metabolitlerin laboratuvar çalışmalarını simüle eden farklı modeller.

 4.1. Çevresel metabolomik kategorileri

Bir organizmanın “metabolomu”, hem niteliksel hem de niceliksel olarak herhangi bir biyoakışkan, hücre, doku veya organizmanın eksiksiz biyokimyasal fenotipi (veya metabotipi) olan eksiksiz metabolit kümesidir.

Metabolomları analiz ederek, çevrede meydana gelen biyokimyasal süreçler hakkında değerli bilgiler elde edebilir ve doğanın korunması için yeni stratejiler geliştirebiliriz. Ekolojik metabolomiklerin ana kategorileri Tablo 4.4’te gösterilmektedir.

 Tablo 4.4. Ekolojik metabolomik tipleri.

Metabolomik tip	Özellikler
Toprak metabolomikleri	– Organik maddenin ayrışması, besin maddelerinin döngüsü ve bitkiler, mikroorganizmalar ve toprak arasındaki etkileşim ile ilgili topraktaki biyokimyasal süreçleri inceler. Toprak verimliliğini değerlendirmek, toprak kirliliğini izlemek ve biyoremediasyon stratejileri geliştirmek için önemli bilgiler sağlar.
Sucul ekosistem metabolomikleri	– Su kalitesini değerlendirmek, kirleticileri belirlemek ve iklim değişikliğinin etkisini izlemek için sucul organizmaların ve sucul ortamların metabolik profillerini analiz eder
Hava metabolomiği	– Atmosferdeki doğal ve antropojenik kaynaklardan kaynaklanan uçucu organik bileşikleri (VOC) tanımlar ve bunların sağlık ve çevre üzerindeki etkilerini değerlendirir.
Ekstrem ortam metabolomikleri	– Organizmaların ekstrem koşullara (yüksek sıcaklık, tuzluluk, radyasyon vb.) adaptasyonunu ve yeni biyoaktif bileşiklerin keşfini inceler.
Organizmadan organizmaya etkileşim metabolomikleri	– Farklı organizmalar (bitkiler, hayvanlar, mikroorganizmalar) ve çevreleri arasındaki metabolik etkileşimleri izler.

 5. METABOLOMIK VE ÇEVRESEL STRES DIRENCI

 5.1. Vücudun çevresel stres faktörlerine verdiği tepkilerin incelenmesi

Çevresel metabolomikler, organizmaların stres faktörlerine verdiği tepkileri incelemek için güçlü araçlar sağlar. Metabolomik profilleri analiz ederek, stres mekanizmaları hakkında değerli bilgiler elde edebilir, hastalıkların erken teşhisi için biyobelirteçleri belirleyebilir ve çevre ve insan sağlığını korumak için yeni stratejiler geliştirebiliriz. Çevresel metabolomikler aşağıdakiler için yaygın olarak kullanılmaktadır:

• Metabolomik profillerin analizi yoluyla stres mekanizmalarının ortaya çıkarılması ve stresten etkilenen spesifik metabolik yolların tanımlanması. Stres tepkisinin altında yatan mekanizmaların daha iyi anlaşılmasını sağlar.
• Stresi azaltmaya yönelik müdahalelerin etkilerinin değerlendirilmesi. Belirli bir strese maruz kalan organizmaların metabolomik profillerini tedavi uygulamasından önce ve sonra karşılaştırmak mümkündür. Organizmaların metabolik profilleri, stresi değerlendirmek için hassas biyobelirteçler olarak hizmet edebilir. Metabolit seviyelerindeki değişiklikler, strese maruz kalmadan kaynaklanan metabolizma dengesizliğine işaret edebilir. Stresin insan sağlığı üzerindeki etkilerinin değerlendirilmesi, stresle ilişkili hastalıkların erken teşhisi için biyobelirteçlerin belirlenmesinin önemli bir parçasıdır. Yeni ilaç hedeflerinin keşfedilmesi ve kişiselleştirilmiş tedavilerin geliştirilmesi gibi yeni terapötiklerin geliştirilmesinin temelini oluşturur.
• Ağır metaller, pestisitler ve diğer toksik maddelerle kirlenme için biyobelirteçleri belirleyerek kirleticilerin etkisini değerlendirmek.
• İklim değişikliğini ve bitki ve hayvanların sıcaklık, nem ve diğer iklim faktörlerindeki değişikliklere verdiği tepkileri incelemek.

Büyük potansiyeline rağmen, çevresel metabolomiklerin hala bazı zorlukları vardır. Bununla birlikte, çevresel metabolomiklerin geleceği umut verici görünmektedir. Yeni teknolojilerin ve algoritmaların geliştirilmesiyle, bu alan organizmalar ve çevreleri arasındaki etkileşimlerin anlaşılmasında giderek daha önemli bir rol oynamaya devam edecektir.

5.2. Oksidatif strese karşı mikrobiyal tepkilerin analizi

Oksidatif stres, reaktif oksijen türlerinin (ROS) üretimi ile hücrenin bunları nötralize etme yeteneği arasında bir dengesizlik olduğu bir durumdur. Hücre hasarına ve çeşitli hastalıkların gelişimine katkıda bulunan ana faktörlerden biridir. Mikroorganizmalar, daha büyük organizmalar gibi oksidatif strese maruz kalırlar ve bununla başa çıkmak için mekanizmalar geliştirmişlerdir. Metabolomik analizler, birincil ve ikincil oksidatif stres tepkileri de dahil olmak üzere bu mekanizmaları moleküler düzeyde incelemek için güçlü araçlar sunar.

Birincil oksidatif stres yanıtları, DNA, proteinler ve lipitler gibi biyomoleküllerin ROS tarafından hasar görmesini içerir. Metabolomik analizler, oksitlenmiş lipidler, proteinlerdeki karbonil grupları ve DNA’daki oksitlenmiş bazlar gibi bu hasarın ürünlerini tanımlayabilir. Oksidatif stresin bir sonraki aşaması, çeşitli sinyal yolları ve düzenleyici mekanizmalarla ilişkili olan ikincil reaksiyonlar, homeostazı geri kazanmaya çalışan aktivasyondur. Metabolomik analizler, bu tepkileri ayrıntılı olarak yansıtan metabolik profillerdeki değişiklikleri belirleyebilir.

Metabolomik analizler, oksidatif strese karşı mikrobiyal tepkileri incelemek için güçlü araçlar sağlar. Metabolik profillerdeki değişiklikleri tanımlayarak, bu tepkilerin altında yatan mekanizmaları daha iyi anlayabiliriz. Bu bilgiler, bulaşıcı hastalıklarla mücadele etmek ve insan sağlığını iyileştirmek için yeni stratejiler geliştirmek için kullanılabilir.

• Metabolomik analizler, oksidatif stres için biyobelirteç olarak hizmet edebilecek spesifik metabolitler olan biyobelirteçlerin tanımlanmasını içerir. Metabolik profillerdeki değişiklikler analiz edilerek, oksidatif stresten en çok etkilenen metabolik yollar belirlenebilir. Bu analizler, oksidatif stresi azaltmak için çeşitli antioksidanların ve diğer müdahalelerin etkinliğini değerlendirmek için kullanılabilir. Mikroorganizmalarda oksidatif stresin incelenmesinde metabolomik analizlerin uygulanması aşağıdakileri amaçlamaktadır:
• – Patojen mikroorganizmaların antibiyotiklere karşı direncinin incelenmesi, bu sayede oksidatif stresin antibiyotik direncinin gelişimine katkıda bulunabilmesi.
• – Ekstrem ortamlarda yaşayan mikroorganizmaların bu koşullara adaptasyonunun incelenmesi. Yüksek oksidatif strese maruz kalan mikroorganizmalar, bununla başa çıkmak için benzersiz mekanizmalar geliştirir.
• Antimikrobiyal ajanlar için yeni hedeflerin belirlenmesi ve oksidatif strese yanıtta yer alan metabolik yollara dayalı yeni antimikrobiyal ajanların geliştirilmesi.

 5.3. Metal kirliliğinin bakterilerde neden olduğu metabolik stres

Ağır metallerle çevre kirliliği, bakteriler de dahil olmak üzere tüm canlı organizmalar için ciddi bir tehdittir. Bu mikroorganizmalar uyum sağlayabilir ve yüksek konsantrasyonlarda toksik madde içeren ortamlar da dahil olmak üzere farklı ortamlarda kolonize olabilirler. Bununla birlikte, metallere maruz kalma, bakterilerin metabolizmasında metabolomik stres olarak adlandırılan önemli değişikliklere yol açar. Metal kirliliğinin neden olduğu metabolomik stres, ağır metallerin bakteriler üzerindeki etki mekanizmalarını incelemek ve bu sorunu ele almak için stratejiler geliştirmek için güçlü araçlar sağlayan metabolomik analizler ile bilim insanlarının büyük ilgisini çekmektedir. Metabolomik stresin temeli, bakteri hücrelerini farklı şekillerde etkileyebilen kurşun, kadmiyum, cıva ve arsenik gibi ağır metallerin etki mekanizmalarını belirlemektir:

Oksidatif streste, metaller reaktif oksijen türleri (ROS) üretebilir ve DNA, proteinler ve lipitlere zarar verebilir. DNA’daki hasar mutasyonlara ve genetik istikrarsızlığa yol açar. Ağır metaller hücre zarındaki fosfolipidlere bağlanarak geçirgenliğini ve stabilitesini bozabilir. Metaller ayrıca enzimlere bağlanabilir ve aktivitelerini inhibe ederek temel metabolik süreçleri bozabilir.

Ağır metallere maruz kalan bakterilerde sıklıkla metabolomik değişiklikler gözlenir. Metabolomik analiz, metale maruz kalmaya yanıt olarak bakterilerin metabolik profilinde belirli değişikliklerin tanımlanmasını sağlar. Bu değişiklikler, bir detoksifikasyon mekanizması olarak bakterilerde metabolitlerin birikmesini veya hücre hasarına bir yanıt olarak ya da artan tüketim veya sentezin engellenmesinden kaynaklanan metabolitlerin tükenmesini içerebilir. Metaller çeşitli metabolik yolların düzenlenmesini bozarak enerji üretiminde, biyomolekül sentezinde ve diğer süreçlerde değişikliklere yol açabilir. Metabolomik analiz uygulamaları aşağıdakiler için büyük önem taşımaktadır:

• Farklı metal konsantrasyonlarına maruz kalan bakterilerin metabolomik profillerini karşılaştırarak metal toksisitesinin değerlendirilmesi ve toksisitelerinin belirlenmesi.
• Metal maruziyeti için biyobelirteç görevi görebilecek spesifik metabolitlerin metabolomik analizleri yoluyla biyobelirteçlerin tanımlanması.
• Ağır metallerle kirlenmiş toprak ve suların biyoremediasyonu için yeni stratejilerin geliştirilmesine yardımcı olabilecek metabolomik analizlerden kaynaklanan biyoremediasyon stratejilerinin geliştirilmesi.

 6. METODOLOJİK VE TEKNİK GELİŞMELER

6.1. Sucul ekotoksikolojide metabolomiklerin başarıları

Sucul ekotoksikolojide, metabolomiklerin kirleticilerin sucul organizmalar üzerindeki etkisini değerlendirmek için özellikle değerli bir araç olduğu kanıtlanmıştır. Sadece genetik bilgi sağlamakla kalmayıp aynı zamanda çevrenin etkisini ve organizmada meydana gelen tüm biyokimyasal süreçleri yansıtan bir organizmanın metabolik profilinin “anlık görüntüsünü” sağlar. Bu da onu toksik maddelere maruz kalmanın neden olduğu erken değişiklikleri tespit etmek için son derece hassas bir araç haline getirmektedir. Metabolomik, toksisitenin erken biyobelirteçlerinin tanımlanmasına, kirleticilerin etki mekanizmalarının ortaya çıkarılmasına ve su kaynaklarının korunması için daha etkili stratejiler geliştirilmesine olanak tanır. Ayrıca kirleticilerin sucul organizmalar ve ekosistemler üzerindeki etkisini değerlendirmek için yeni yöntemler sağlar. Metabolomiklerin bu alandaki bazı önemli başarıları ve uygulamaları, sudaki toksik maddelere maruz kalmaya yanıt olarak değişen spesifik metabolitlerin keşfiyle ilgilidir. Bu metabolitler, toksisitenin biyolojik belirteçleri olarak hizmet edebilir ve zararlı etkilerin erken tespitine yardımcı olabilir. Ayrıca, metabolik profilleri analiz ederek, belirli kirleticilerin suda yaşayan organizmaların metabolizmasını nasıl etkilediğini anlamak mümkündür. Toksisite mekanizmalarının ortaya çıkarılmasına ve sucul ekosistemlerin korunması için stratejiler geliştirilmesine yardımcı olur.

Sucul organizmaların değerlendirilmesi üzerindeki etki araştırmanın önemli bir parçasıdır.

Metabolomik, kirleticilerin suda yaşayan organizmalar üzerindeki etkisini tahmin eden modellerin oluşturulmasına olanak sağlar. Bu modeller, düzenleyici standartların geliştirilmesi ve ekotoksikolojik etkilerin modellenmesi için risk değerlendirmesinde kullanılabilir.

Kimyasalların göreceli toksisitesi değerlendirilebilir ve farklı kirletici türleri incelenerek ve kirleticilere maruz kalan organizmaların metabolik profilleri karşılaştırılarak kirlilik kontrol çabalarına öncelik verilebilir.

Sucul ekotoksikoloji alanında metabolomiklerin uygulanması, su kalitesinin izlenmesi ile ilgilidir:

• Su kütlelerinin gerçek dünyada izlenmesi, su kalitesini gerçek zamanlı olarak izlemek için kullanılır. Suda yaşayan organizmaların metabolik profillerini analiz ederek, kirleticilerin varlığını ve hangi düzeltici önlemlerin alınması gerektiğini gösteren değişiklikler tespit edilir.
• Metabolik profillerin uzun süreli izlenmesi, kirleticilerin su ekosistemleri üzerindeki kronik etkileri hakkında bilgi sağlayabilir ve uzun vadeli su kaynakları yönetim stratejilerinin geliştirilmesine yardımcı olabilir.

Yeni teknolojiler ve yöntemler geliştirilmekte ve diğer “omik” teknolojilerle entegre edilmektedir. Metabolomik, kirleticilere karşı biyolojik tepkilerin daha eksiksiz bir resmini elde etmek için genellikle genomik, proteomik ve transkriptomik ile birleştirilir. Bu entegrasyon, genetik, proteinler ve metabolitler arasındaki karmaşık etkileşimlerin daha kesin bir şekilde anlaşılmasını sağlar. Ölçümlerin doğruluğunu ve hassasiyetini artıran yeni analitik teknikler ve araçlar da geliştirilmektedir. Buna spektroskopi, kromatografi ve istatistiksel analiz için gelişmiş yöntemler dahildir.

Metabolomik, sucul ekotoksikoloji alanında, kirleticilerin sucul organizmalar ve ekosistemler üzerindeki etkisinin ayrıntılı bir şekilde incelenmesine olanak tanıyan güçlü bir araçtır. Biyobelirteçleri tanımlayarak, toksisite mekanizmalarını anlayarak ve yeni teknolojiler geliştirerek metabolomik, su kaynaklarının korunmasına ve su ekosistemlerinin sağlığına önemli ölçüde katkıda bulunur.

6.2. Yeni istatistiksel zorluklar – biyoinformatik

Biyoinformatik ve metabolomik, bir araya geldiklerinde karmaşık biyolojik sistemleri anlamak için güçlü araçlar sunan ve hızla gelişen iki bilim alanıdır. Biyoinformatik ve metabolomiklerin birleştirilmesi sinerjik bir etki yaratır:

• Genomik, transkriptomik ve metabolomik verileri entegre ederek, çeşitli hastalıkların teşhisi ve izlenmesi için yeni biyobelirteçlerin keşfedilmesinde kullanılabilecek yeni biyobelirteçlerin tanımlanması.
• Hastalıklarla ilişkili metabolomik değişiklikleri analiz ederek ve bozulan temel metabolik yolları belirleyerek hastalık mekanizmalarını ortaya çıkarabilir.
• Hastalıkların neden olduğu metabolik değişiklikleri anlayarak yeni terapötikler geliştirmek, ve normal metabolik işlevi geri kazandıran yeni ilaç molekülleri geliştirmek.
• Biyolojik ürünler için fermantasyon ve üretim süreçlerini optimize etmek için kullanılabilecek mikroorganizmaların metabolomik profillerini analiz ederek biyoteknolojik süreçleri optimize etmek.

Biyoinformatik ve metabolomik, tıbbın çeşitli alanlarında kanser, diyabet ve diğer hastalıklar için biyobelirteçlerin belirlenmesinde; kişiselleştirilmiş tıbbın geliştirilmesinde; eczacılıkta yeni tıbbi maddelerin keşfinde; ilaçların etkinliğinin ve güvenliğinin değerlendirilmesinde; gıda endüstrisinde gıda kalitesinin değerlendirilmesinde, yeni fonksiyonel gıdaların geliştirilmesinde; mahsul veriminin ve sürdürülebilirliğinin iyileştirilmesi, yeni bitki çeşitlerinin geliştirilmesi için agronomide ve çevre kirliliğinin izlenmesi, iklim değişikliğinin etkisinin değerlendirilmesi için ekolojide kullanılmaktadır.

Büyük potansiyele rağmen, biyoinformatik ve metabolomik kombinasyonu hala büyük ve karmaşık verilerin analizi, veri standardizasyonu ve genomik, transkriptomik, proteomik ve metabolomik verilerin entegrasyonundaki karmaşıklık gibi bazı zorluklarla ilişkilidir. Bu zorluklara rağmen, biyoinformatik ve metabolomiklerin geleceği umut verici görünmektedir. Yeni teknolojiler ve algoritmalar geliştikçe, bu iki alan biyolojik süreçlerin anlaşılmasında ve yeni tedaviler ve teknolojiler geliştirilmesinde giderek daha önemli bir rol oynamaya devam edecektir.

7. ZORLUKLARI VE BEKLENTİLERİ

Ekolojik metabolomik, metabolik profillerin incelenmesi yoluyla organizmalar ve çevre arasındaki etkileşimleri incelemek için metabolomik ve ekolojinin entegrasyonudur. Ekolojik metabolomik, organizmalar ve çevre arasında bir köprüdür. Bu alan hızla gelişmektedir. Bununla birlikte, çeşitli zorluklarla karşı karşıyadır ve benzersiz perspektifler sunmaktadır.

Ekolojik metabolomiklerin büyük potansiyeline rağmen, ekolojik sistemlerin ve dinamiklerin karmaşıklığı gibi tüm metabolitlerin tanımlanmasını ve ölçülmesini zorlaştıran çeşitli zorluklarla karşı karşıyadır. Farklı organizmaların ve ekosistemlerin metabolik profillerini içeren veri tabanları hala az gelişmiştir; metabolomik verilerin analizi pahalı ekipman ve özel yazılım araçları gerektirir ve metabolitlerin örneklenmesi, ekstraksiyonu ve analizi için standartlaştırılmış yöntemlerin olmaması sonuçların karşılaştırılmasını zorlaştırır.

7.1. Mikrobiyal metabolomiklerin uygulanması – yaratıcı proteomikler

Mikrobiyal metabolomik ve yaratıcı proteomik, modern mikrobiyolojide mikroorganizmalarda meydana gelen karmaşık süreçleri daha iyi anlamamızı sağlayan iki güçlü araçtır. Bu araştırma alanları, tıp ve eczacılıktan biyoteknoloji ve çevre korumaya kadar çeşitli uygulamalar için büyük önem taşımaktadır.

Yaratıcı proteomik, protein analizi için yeni yöntemlerin geliştirilmesi ve uygulanmasıyla ilgilenen nispeten yeni bir alandır. Amaç, geleneksel proteomik yöntemlerin sınırlamalarının üstesinden gelmek ve belirli bir organizmanın proteomunun daha eksiksiz bir resmini elde etmektir.

Mikrobiyal metabolomik ve yaratıcı proteomiklerin araştırmalara entegre edilmesi, hücresel süreçlerin daha derinlemesine anlaşılması için bir fırsat sunmaktadır. Metabolomlar ve proteomlardaki değişiklikleri karşılaştırarak, gen ifadesindeki değişikliklerin hücre metabolizmasını nasıl etkilediğini belirlemek mümkündür. Mikrobiyal metabolomik ve yaratıcı proteomik, bilim ve teknolojinin çeşitli alanlarında devrim yaratma potansiyeline sahip güçlü araçlardır. Bu iki alanın birleştirilmesiyle yeni ilaçlar keşfedilebilir, daha verimli biyoteknolojiler geliştirilebilir ve önemli çevresel sorunlar çözülebilir. Mikrobiyal metabolomik ve yaratıcı proteomiklerin temel uygulama alanları şunlardır:

• Farklı mikroorganizma türlerinin benzersiz metabolik profillerini analiz ederek mikrobiyal türlerin tanımlanması ve farklılaştırılması. Yaratıcı proteomik, yakından ilişkili suşların tanımlanmasına ve ayırt edilmesine yardımcı olur. Gıda güvenliği, çevresel mikrobiyoloji ve klinik teşhis için önemli etkileri vardır.
• Mikrobiyal metabolomik, bir mikroorganizmada aktif olan metabolik yollara kapsamlı bir genel bakış sağlar. Bu bilgiler, mikroorganizmaların çevreleriyle nasıl etkileşime girdiğini, strese nasıl tepki verdiğini ve değerli metabolitleri nasıl ürettiğini anlamak için kullanılabilir.
• Yaratıcı proteomik, antimikrobiyal bileşiklerin neden olduğu metabolik değişiklikleri analiz ederek potansiyel ilaç hedeflerinin belirlenmesine ve yeni antibiyotiklerin etkinliğinin değerlendirilmesine yardımcı olur.
• Mikrobiyal metabolomik, endüstriyel biyoteknolojide fermantasyon süreçlerini optimize etmek, biyoyakıt ve diğer biyo-ürünlerin üretimini iyileştirmek ve belirli endüstriyel uygulamalar için mikroorganizma mühendisliği yapmak için kullanılabilir.
• Çevresel örneklerdeki mikrobiyal metabolomun analizi kirleticilerin mikrobiyal topluluklar üzerindeki etkisinin değerlendirilmesine ve ekosistem sağlığının izlenmesine yardımcı olur.

Yaratıcı proteomiğin avantajları, mikrobiyal metabolomik konusunda uzmanlaşmış bilim insanlarının yüksek uzmanlığı, modern analitik cihazlara erişim ve özel ihtiyaçlara bireysel çözümler sağlayan en son teknolojilerdir. Mikrobiyal metabolomiğin gücünden yararlanan yaratıcı proteomik, araştırmacıların mikroorganizmaların potansiyelini ortaya çıkarmasına ve tıp, tarım ve ekoloji dahil olmak üzere çeşitli alanlardaki temel sorunları çözmesine yardımcı olur.

7.2. Çevresel kirleticilerin toksisitesinin ve hastalık risklerinin edilmesi

Bir organizma toksik bir maddeye maruz kaldığında, metabolizması değişir ve bu da çeşitli metabolitlerin konsantrasyonlarında değişikliklere yol açar. Metabolomik analiz bu değişiklikleri tanımlayabilir ve hücresel düzeyde organizmaya zarar vermek için kirleticinin toksisite mekanizmaları hakkında bilgi sağlayabilir. Ayrıca, belirli bir toksik maddeye maruz kalma görevi gören spesifik metabolitleri ve hasardan sorumlu doz göstergelerini tanımlar. Kirleticinin konsantrasyonunun artırılmasının organizmanın metabolik profili üzerindeki etkisi ve hangi organ ve sistemleri etkilediği hakkında bilgi esastır.

Şekil 4.4.  Kirletici maruziyetine yanıt olarak metabolik profilde meydana gelen değişiklikler RAW 264.7 hücrelerinin standart partikül madde (PM) materyali NIST1648a’ya ve organik madde içeriği azaltılmış PM LAp120’ye maruz bırakılmasından sonra lipopolisakkaritin (LPS) etkilerine kıyasla gen ifade profili.

Metabolomik ve yaratıcı proteomiklerin çevre ve sağlık alanında uygulanması, ağır metaller, pestisitler ve endüstriyel kimyasallar gibi çevresel kirleticilere maruz kalmayla ilişkili insan sağlığı riskini değerlendirmek için temel bilgiler sağlar. Ayrıca kirleticilerin organizmalarda nasıl biriktiği ve bunun metabolizmalarını nasıl etkilediği de anlaşılabilir. Metabolizmada değişikliklere neden olan yeni kirleticiler tanımlanabilir. Kirleticiye maruz kalma ile ilişkili bu metabolomik değişiklikler, çevre ile ilgili hastalıkların erken tespiti için biyobelirteçler geliştirmek için kullanılabilir. Bir diğer önemli rol ise, kirlenmiş toprak ve suların iyileştirilmesine yönelik farklı yöntemlerin etkinliğini değerlendirmek için kullanılmasıdır.

• Çevresel kirleticilere maruz kalmak insan metabolomunu önemli ölçüde değiştirerek çeşitli sağlık sorunlarına yol açabilir. Temel metabolik değişiklikler, aşağıdakiler gibi çeşitli insan hastalıkları için belirteç olabilir:
• Partikül madde (PM2.5) ve ozon (O₃) gibi kirleticiler oksidatif stresi tetikleyerek reaktif oksijen türlerinin (ROS) seviyelerinin artmasına neden olabilir. Bu durum lipidlere, proteinlere ve DNA’ya zarar vererek lipid peroksidasyon ürünlerinin (örn. malondialdehit), protein oksidasyon ürünlerinin ve DNA eklentilerinin artmasına yol açabilir.
• Enflamatuar yolların aktivasyonu, enflamatuar sitokinlerin (örn. TNF-α, IL-6) ve kemokinlerin seviyelerinin artmasına yol açar. Bu moleküller oksidatif strese ve doku hasarına daha fazla katkıda bulunabilir.
• Enerji metabolizmasının bozulması, glikoz, lipid ve amino asit metabolizmasında değişikliklere yol açarak kan glikozu, yağ asidi, kolesterol ve amino asit seviyelerini değiştirir.
• Nörotransmitter metabolizmasını etkileyerek dopamin, serotonin ve glutamat gibi nörotransmitterlerin seviyelerinde değişikliklere yol açarak nörolojik ve psikiyatrik bozukluklara neden olur.
• Hormon sinyalizasyonuna müdahale ederek östrojen, testosteron ve tiroid hormonları gibi hormonların seviyelerinde değişikliklere yol açar ve üreme sağlığı ve gelişimini önemli ölçüde etkiler.
• Lipid metabolizması ve oksidatif stresteki değişiklikler ateroskleroz ve kardiyovasküler hastalık riskini artırabilir.
• Akciğerlerde enflamasyon ve oksidatif strese neden olarak astım ve kronik obstrüktif akciğer hastalığı (KOAH) gibi solunum yolu hastalıklarına yol açar.
• Nörotransmitter metabolizmasındaki değişiklikler Alzheimer ve Parkinson hastalığı gibi nörodejeneratif hastalıkların yanı sıra depresyon ve anksiyete gibi psikiyatrik bozukluklara da katkıda bulunabilir.
• Bazı kirleticiler DNA’ya doğrudan zarar vererek kanser gelişimine katkıda bulunabilecek mutasyonlara yol açabilir.
• Hamilelik ve erken çocukluk döneminde kirleticilere maruz kalmak, bilişsel işlevlerde ve solunum gelişiminde bozulma dahil olmak üzere fetal ve çocuk gelişimi üzerinde olumsuz etkilere neden olabilir.

Kirletici maruziyetinin doğru bir şekilde değerlendirilmesi, kirliliğin sağlık üzerindeki etkilerinin anlaşılması için çok önemlidir. Düzenlemeler ve teknolojik ilerlemeler yoluyla kirletici emisyonlarının azaltılması, kirlilikle ilişkili sağlık risklerinin azaltılması için esastır.

Metabolomik, kirleticilerin canlı organizmalar üzerindeki etkilerini incelemek için güçlü bir araç olduğunu kanıtlıyor. Metabolik değişiklikleri analiz ederek, bilim insanları toksisite mekanizmaları hakkında değerli bilgiler edinebilir, maruziyetin biyobelirteçlerini belirleyebilir ve insan sağlığı risklerini değerlendirebilir. Gelecekte metabolomik, çevreyi korumak ve insan sağlığını iyileştirmek için etkili stratejiler geliştirmede giderek daha önemli bir rol oynayacaktır.

9. KAYNAKLAR

Adams, M. (2023). Metal Contamination Causes Metabolic Stress in Environmental Bacteria. Biological and Environmental Research https://www.energy.gov/science/ber/articles/metal-contamination-causes-metabolic-stress-environmental-bacteriaBooth, S., Turner, R.J., Weljie, A. ‘(2013). Metabolomics in Environmental Microbiology John Wiley & Sons, Ltd. 2, doi: 10.1002/9780470034590.emrstm1335

Chien, H.-Ju, Zheng, Y.-F., Wang, W.-C., Kuo, C.-Y., Li, S.-Y., Lai, C.-C. (2022). Chapter 6 – Application of proteomics and metabolomics in microbiology research. Current Developments in Biotechnology and Bioengineering. Designer Microbial Cell Factories: Metabolic Engineering and Applications., 107-129 doi.org/10.1016/B978-0-323-88504-1.00007-8

Danczak, R.E., Chu, R.K., Fansler, S., Goldman, A.E., Graham, E.B., Tfaily, M.M., Toyoda, J., Stegen, J.C. (2020). Using metacommunity ecology to understand environmental metabolomes. Nature communications 11 6369  https://doi.org/10.1038/ s41467-020-19989-y

Deng, P., Li, X., Petriello, M.C., Wang, C., Morris, A.J., Hennig, B. (2019. Application of metabolomics to characterize environmental pollutant toxicity and disease risks. Rev Environ Health 34, 3, 251–259 10.1515/reveh-2019-0030

Dumas, T., Courant, F., Fenet, H. and Gomez, E. (2022). Environmental Metabolomics Promises and Achievements in the Field of Aquatic Ecotoxicology: Viewed through the Pharmaceutical Lens. Metabolites 12, , 186. https://doi.org/10.3390/metabo12020186

Jan, S. and Ahmad, P. (2020). Chapter 5 – Instrumentation Applied to Metabolomic Analysis Ecometabolomics https://doi.org/10.1016/B978-0-12-814872-3.00005-9

Lankadurai, B.P., Nagato, E.G. and Simpson, M.J. (2013). Environmental metabolomics: an emerging approach to study organism responses to environmental stressors Environ. Rev. 21: 180–205 http://dx.doi.org/10.1139/er-2013-0011

Mansoldo, F.R.P., Garrett, R., Cardoso, V. da S., Alvesc, M.A., Vermelho, Alane B. (2022). Metabology: Analysis of metabolomics data using community ecology tools. Analytica Chimica Acta 1232, 340469 doi: 10.1016/j.aca.2022.340469

Mosier, A.C., Justice,N.B.,  Bowen, B.P, Baran, R.,  Thomas, B.C, Northen, T.R, Banfield, J.F. (2013). Metabolites associated with adaptation of microorganisms to an acidophilic, metal-rich environment identified by stable-isotope-enabled metabolomics. mBio 4 (2): e00484-12.

Pan, Y., Cheng, J.-H., Sun, D.-W. (2021). Metabolomic analyses on microbial primary and secondary oxidative stress responses. Compr Rev Food Sci Food Saf. 20 5675–5697 doi: 10.1111/1541-4337.12835

van der Velden, P.M..M. and Jansen R.S. (2023). Microbial Metabolomics: An Overview of Applications. Chapter 165–208   10.1007/978-3-031-39094-4_6

Yang, S-T., Liu, X., Zhang, Y. (2007). Chapter 4 – Metabolic Engineering – Applications, Methods, and Challenges. Bioprocessing for Value-Added Products from Renewable Resources New Technologies and Applications, 73-118. https://doi.org/10.1016/B978-044452114-9/50005-0