Mikrobiyal genom yapbozlar Teach article
Bu makale ilk olarak EMBL-ELLS Teaching Material yayınlanan makaleden uyarlanmıştır.
Bilim insanları dizileme verilerinden genomik bilgileri nasıl bir araya getiriyor? Öğrenmek için bu iki eğlenceli çevrimiçi puzzle'ı oynayın.
Genomları yeniden yapılandırmak yapbozu çözmek gibidir
Üzerimizde ve içimizde yaşayan birçok mikrobun yapısını karakterize etmek, bu mikropların insan sağlığı ve hastalıklarında oynadığı olası rolleri anlamamıza yardımcı olur. Bilim insanları, mevcut mikrobiyal türleri tanımlamak amacıyla mikrobiyal örneklerin genetik materyalini analiz etmek için DNA dizileme teknolojilerini kullanmaktadır.
DNA dizileme, mikrobiyal bir numunedeki organizma(ların) tam genom dizilerini sağlamak yerine, yüzlerce veya binlerce kısa, doğrusal mikrobiyal DNA parçası üretir. Organizma(ları) tanımlamayı denemek için bilim insanları genellikle bu DNA parçalarını kullanır ve bunları hesaplamalı yaklaşımlar kullanarak uzun DNA parçaları (contigs) halinde birleştirir.
Bu eğitim kaynağı, öğretmenlere öğrencileri tek bir bakterinin ve karmaşık mikrobiyal toplulukların genom rekonstrüksiyonu kavramıyla tanıştırmak için basit bir “yapboz” metaforunu nasıl kullanacakları konusunda rehberlik etmektedir.
Bilimsel giriş
DNA dizilimi, bir organizmanın benzersiz kalıtsal bilgisinin nükleotid dizisini belirler. Çıktı olarak, tam DNA genomunun parçaları olan yüzlerce veya binlerce kısa, doğrusal mikrobiyal DNA parçası üretir. Bu nedenle, DNA dizilemesinden sonraki adım, bu parçaların hesaplama yaklaşımları kullanılarak ardışık uzun DNA parçaları (contigs) halinde birleştirilmesini içerir.
Tek bir bakterinin genom rekonstrüksiyonu
Tek bir bakterinin genomu genellikle:
- dairesel
- çift sarmallı
- değişken uzunluktadır, ancak genellikle milyon baz çifti büyüklüğündedir.
Yaygın olarak kullanılan DNA dizileme teknolojileri (2. nesil dizileme olarak adlandırılan uygulama) DNA parçaları üretir:
- doğrusal
- tek sarmallı
- kısa (35 ila 400 baz çifti).
Bu nedenle, genom rekonstrüksiyonunu biraz “zor” bir yapboz problemi olarak düşünebilirsiniz: parçalarından bütün bir görüntüyü yeniden inşa etmemiz gerekiyor.
Tek bir bakterinin genom dizisini yeniden yapılandırmayı amaçlarken bunu tam olarak nasıl yaparız? En basit durumda, organizmamız zaten dizilenmiştir ve genom dizisi halka açık veri tabanında (EMBL-EBI’s European Nucleotide Archive, ENA gibi) depolanmıştır. Bu durumda, bulmaca kutusunun kapağındaki resme bakmak gibi, “yapbozu” yeniden oluşturmamıza yardımcı olması için bu diziyi kullanabiliriz. Bu yaklaşıma “haritalama”(belirli bir DNA parçasının bilinen bir referansla karşılaştırılarak nereden geldiğinin belirlenmesi) denir.
Bunun açık basit bir yaklaşım olduğunu unutmayın: çok yüksek mutasyon oranları nedeniyle, dizilenmiş bir bakterinin genomu neredeyse hiçbir zaman referans genomunkiyle tamamen aynı değildir. Bu nedenle, eşlemenin mükemmel olmayacağını ve yeterince kanıtlandığı takdirde uyumsuzlukların genomdaki en ilginç noktalar olabileceğini kabul etmeye hazır olmalıyız.
Karmaşık mikrobiyal toplulukların genom rekonstrüksiyonu
Bağırsak mikrobiyomunuz gibi karmaşık bir mikrobiyal topluluktaki genomları yeniden yapılandırırken karşılaşılan ek zorluklar nelerdir?
- Birden fazla genom birbirine karışmıştır.
- Hangi dizinin hangi genoma ait olduğunu bilmiyoruz.
- Topluluktaki her bir bakterinin genomunu yeniden oluşturmamıza yardımcı olacak bir referans genomumuz yok.
- Diziler belirli bir “derinliğe” sahip olsa bile (yani yapboz’un birçok parçasını toplasak bile), muhtemelen tüm dizileri toplamamış oluruz (yani tüm görüntünün eksik parçalarıyla kalabiliriz).
Bu daha karmaşık sorunu çözmek için, bir kez daha, içgüdüsel olarak bir bulmaca ile ne yapacağınıza benzeyen birkaç strateji vardır:
- Yapboz’un bir parçası için referansımız varsa, önce onu inşa ederiz.
- Parçalardan herhangi biri “benzer” görünüyorsa (yani genetik olarak benzerlerse veya bulmaca metaforunda aynı renk veya desene sahip olabilirlerse), onları birlikte gruplandırırız.
- Parçalardan herhangi biri birbirine çok iyi uyuyorsa birbirlerine ait olduklarını varsayarız (biyoinformatik jargonunda, birlikte “oluşturulabilirler”).
- Parçalardan herhangi birinin bilinen bir işlevi varsa nereye ait olduklarını çıkarmaya çalışırız (yapboz metaforunda, köşe veya kenar parçaları).
Eksik veri sorunu
Ancak belirtildiği gibi, görüntüyü tamamen yeniden yapılandırmak için ihtiyacımız olan tüm parçalara sahip olmayabiliriz. Bu görüntü daha sonra numunedeki bakteri kompozisyonunu (orada ne var) ve ardından olası işlevlerini (ne yapıyor olabilirler) araştırmak için başlangıç noktası olduğundan, verilerin eksik kısmının etkisi hakkında düşünmek için bir saniyenizi ayırın: mikrobiyal topluluğun tam olarak anlaşılmasını engellemenin yanı sıra, gördüklerimizi tanımlayabileceğimizi, ancak görmediklerimizden herhangi bir anlam çıkaramayacağımızı da anlamalıyız. Basitçe söylemek gerekirse, çekmecemden birkaç çorap alırsam ve hiçbiri kırmızı değilse, kırmızı çorabım olmadığı sonucuna varamam. Neden? Mikrobiyal topluluğun genel karmaşıklığı örnekleme kapasitemiz için çok yüksektir; bu nedenle, eksik verilerle sonuçlanacaktır.
Talimatlar
Bu eğitim kaynağında, mikrobiyal genom bulmacaları, araştırmacıların DNA dizilimi ile üretilen ham genetik verilerden tek bir bakterinin (Yapboz 1) veya bağırsak mikrobiyal örneği gibi karmaşık bir topluluğun (Yapboz 2) genomuna genel bir bakışa nasıl geçtiklerini göstermek için metafor olarak kullanılmaktadır.
Yapboz aktivitesi iki online bulmacadan oluşmaktadır: ilki Escherichia coli bakterisinin karikatür versiyonunu göstermektedir ve tek genomun yeniden yapılandırılması için bir metafor olarak kullanılabilir, ikincisi ise birden fazla mikrobun karikatür temsilidir ve bir mikrobiyal topluluğun genomlarının yeniden yapılandırılması için bir metafor olarak kullanılabilir. Yapboz’lara aşağıdan erişebilirsiniz:
Lütfen aşağıda mikrobiyal genom yapboz’larını genomik derslerinize yerleştirmek için olası bir yaklaşımın ana hatlarına bakınız.
- Tek bir genom için bakteriyel genomu, genom dizilemeyi ve genom rekonstrüksiyonu kavramlarını tanıtın.
- Öğrencilerden Yapboz 1‘i yapmalarını isteyerek puzzle metaforunu tanıtın. Öğrenciler puzzle yapmalarına yardımcı olması için referans resmi kullanabilir ve puzzle’ı tamamlamak için gereken süreyi hesaplayabilirler.
- Mikrobiyal topluluklar kavramını tanıtın ve öğrencilerden tek bir genomun yeniden yapılandırılmasıyla benzerlik ve farklılıkları belirlemelerini isteyerek bu durumda mikrobiyal genomların yeniden yapılandırılmasının zorluklarını tartışın.
- Öğrencilere “bilimsel giriş” bölümündeki 1-4 maddelerinde açıklanan zorluklar konusunda rehberlik edin.
- Referans resim olmadan yapbozu nasıl çözeceklerini öğrencilerle tartışın.
- Öğrencilerden Yapboz 2‘yi yapmalarını isteyin. Bu sefer öğrenciler yapbozu referans resme bakmadan tamamlamalı ve yapbozu tamamlamak için harcadıkları süreyi Yapboz 1‘i çözmek için harcadıkları süre ile karşılaştırmalıdır.
- Yapbozun tüm parçalarının kendilerine verilmememsi durumunda yapbozu çözmenin nasıl daha karmaşık hale geleceğini öğrencilerle tartışın. Öğrencileri şunlardan bahsetmeleri için yönlendirin a) bir parçayı yanlış yere yerleştirebilirler ve b) topluluktaki mikroplardan birini (veya daha fazlasını) tanımlayamayabilirler.
- Sonuca, tek bir bakteri genomuna kıyasla karmaşık topluluk genomlarının yeniden yapılandırılmasında ihtiyaç duyulan fazladan zamana ”hesaplama karmaşıklığı” adı verildiğini belirterek başlayın. Hesaplama karmaşıklığı, tek bir bakteriye kıyasla, karmaşık bir bakteri topluluğunun birleşimini ve işlevini elde etmek için gereken zaman ve hesaplama gücündeki artıştan kaynaklanan karmaşıklık artışını tanımlar (örneğin insan gücünden daha fazla sunucu gücü).
- Yapbozu bir araya getirmenin, yani mikrobiyal topluluk genomlarının bir şekilde güvenilir bir görüntüsünü oluşturmanın mikrobiyom analizinde sadece ilk adım olduğuna dikkat çekerek aktiviteyi sonlandırın! Genomlar yeniden oluşturulduktan sonra, bir sonraki adımda numunedeki bakteri türlerini tanımlayabiliriz, bu topluluklar ayrıntılı olarak tanımlanabilir ve karakterize edilebilir, bu da mikrobiyal topluluklar ve bunların biz insanlarla etkileşimi hakkındaki araştırma sorularını ele alınmasının temelini oluşturur.
Resources
- Bu öğretim etkinliği ile genetik kodu kırın.
- Escherichia coli bakterisinin 67.000 nesil boyunca evrimini izleyen bir çalışma hakkında bilgi edinin.
- DNA yapısının keşfi ve sınıfınızda soğan ve bezelyeden DNA’nın nasıl elde edileceği hakkında bilgi edinin.
- Kanser mutasyonları nelerdir ve nasıl tespit edilirler? Cevapları bu öğretim etkinliğinde keşfedin.
- İnsan mikrobiyomu hakkında daha fazla kaynak.