Göl Mendota’da Bakteriler Mevsimsel Değişiklikleri Takip Ederek Döngüler Halinde Evrim Geçiriyor
Göl Mendota’da yaşayan bakteri türleri, sanki Bill Murray’in “Groundhog Day” filmindeki gibi, bir türlü kurtulamadıkları sonsuz bir döngü içindedir. Ancak bu durumda, daha çok Groundhog Yılı gibi.
Nature Microbiology dergisinde yayınlanan yeni bir araştırmaya göre, araştırmacılar bir yıl boyunca, Göl Mendota’daki bakteri türlerinin çoğunun hızla evrim geçirdiklerini keşfettiler, aşırı değişen mevsimlere tepki olarak. Gen varyantları nesiller boyunca yükselip düşerken, yüzlerce ayrı tür, neredeyse tamamen, binlerce nesil evrimsel baskılardan önce genetik olarak olduklarına yakın kopyalar haline dönüşüyorlardı. (Bireysel mikropların ömürleri sadece birkaç gün sürer -; bu yüzden bilim insanlarının çalışması, bakteri genomlarını karşılaştırmayı içeriyordu ve türlerdeki zamanla değişiklikleri incelemekti.) Bu aynı mevsimsel değişim, sanki evrim her seferinde başlangıca geri dönüp tekrar oynanıyormuş gibi yıl boyunca devam etti, görünüşe göre hiçbir yere varmadan.
“Bu tür bir değişimden bu kadar büyük bir bakteri topluluğunun etkilendiğine şaşırdım,” dedi The University of Texas at Austin’deki Brett Baker’ın laboratuvarında postdoktora araştırmacısı olan Robin Rohwer. “Sadece birkaç harika örneği gözlemlemeyi umuyordum, ama gerçekten yüzlerce vardı.”
Rohwer, ilk olarak Wisconsin-Madison Üniversitesi’nde Trina McMahon ile çalışan bir doktora öğrencisi olarak ve ardından UT’de araştırmayı yürüttü.
Araştırmanın Önemi ve Sonuçları
Göl Mendota, mevsimden mevsime büyük değişiklikler yaşar -; kışın buzla kaplanırken, yazın alglerle kaplanır. Aynı bakteri türü içinde, bir dizi çevresel koşula daha iyi uyum sağlayan suşlar bir mevsim boyunca diğer suşları ezip geçerken, diğer suşlar farklı mevsimlerde parlamak için şansını elde eder.
Ekip, 471 su örneğinden oluşan ve McMahon, Rohwer ve diğer UW-Madison araştırmacıları tarafından 20 yıl boyunca Lake Mendota’dan toplanan benzersiz bir arşivi kullandı. Her su örneği için, bakteri ve diğer organizmalar tarafından geriye bırakılan DNA parçalarından tüm genetik dizileri bir araya getirdiler. Bu, doğal bir sistemden toplanan en uzun metagenom zaman serisi sonucunu verdi.
“Bu çalışma, mikrobiyal toplulukların zaman içinde nasıl değiştiğini anlama konusunda tam bir oyun değiştirici,” dedi Baker. “Bu verilerin mikrobiyal ekoloji ve evrim hakkında bize ne söyleyeceğinin sadece başlangıcı.”
Bu arşiv ayrıca daha kalıcı genetik değişiklikleri ortaya koydu.
2012’de, göl olağandışı koşullarla karşılaştı: Buz örtüsü erken eridi, yaz alışılmadık derecede sıcak ve kurak geçti, göle akan nehrin su akışı azaldı ve bakteri için organik azotun önemli bir kaynağı olan algler alışılmadık derecede seyrekti. Rohwer ve ekibi tarafından keşfedildiği gibi, o yıl göldeki birçok bakteri, alglerin seyrek olması nedeniyle azot metabolizması ile ilgili genlerde büyük bir değişiklik yaşadı.
“Yüzlerce bakteriden birkaçında uzun vadeli bir değişiklik bulabileceğimi düşündüm,” dedi Rohwer. “Ancak bunun yerine, 5’te 1’inin yıllar boyunca oynanan büyük dizi değişiklikleri yaşadığını keşfettik. Sadece bir türün derinlemesine incelemesine odaklanabildik, ancak diğer bazı türlerin de büyük olasılıkla önemli gen değişiklikleri yaşamış olabileceğini düşünüyoruz.”
İklim bilimcileri, önümüzdeki yıllarda orta batı ABD’de yaşanacak olan daha aşırı hava olaylarını tahmin ediyor.
İklim değişikliği, mevsimlerin ve ortalama sıcaklıkların yavaşça değişmesine neden olurken, aynı zamanda daha ani, aşırı hava olaylarına da sebep oluyor. Mikropların iklim değişikliğine nasıl tepki vereceğini tam olarak bilmiyoruz, ancak çalışmamız, bu yavaş ve ani değişikliklere yanıt olarak evrim geçireceklerini gösteriyor.”
Robin Rohwer, postdoktora araştırmacısı, The University of Texas at Austin
Bakteri Evrimi: Doğal Koşullar Altında Yapılan Bir Çalışma
UT’deki Long-Term Evolution Experiment’teki ünlü bakteri evrimi deneyinin aksine, Rohwer ve Baker’ın çalışması doğada karmaşık ve sürekli değişen koşullar altında gerçekleşen bakteri evrimini içeriyordu. Araştırmacılar, bakteri genomlarını su örneklerindeki kısa DNA dizilerinden yeniden oluşturmak için Texas Advanced Computing Center (TACC) tarafından sağlanan süper hesaplama kaynaklarını kullandılar. Rohwer’ın tahminine göre, aynı işlemi TACC’de birkaç ay süren çalışma, bir dizüstü bilgisayarda 34 yıl sürecekti ve yaklaşık 2,800 farklı türden 30,000’den fazla genomi içeriyordu.
“Her bir türün genomunu bir kitap olarak düşünün ve her küçük DNA parçasını bir cümle olarak düşünün,” dedi Rohwer. “Her örneğin yüzlerce kitabı, tüm bunlar bu cümlelere bölünmüş durumda. Her kitabı yeniden oluşturmak için, her cümlenin hangi kitaptan geldiğini anlamanız ve onları sıraya koymanız gerekiyor.”
Yeni çalışmanın diğer yazarları arasında UT’den Mark Kirkpatrick; Carl von Ossietzky Üniversitesi Oldenburg (Almanya) ve Stockholm Üniversitesi’nden Sarahi Garcia; ve ABD Enerji Bakanlığı’nın Joint Genome Institute’den Matthew Kellom yer alıyor.
Bu araştırmaya destek, U.S. National Science Foundation, U.S. National Institutes of Health, U.S. Department of Energy’ın Office of Science’i, U.S. Department of Agriculture, Simons Vakfı ve Mikrobiyoloji alanında E. Michael ve Winona Foster-WARF Wisconsin Idea Lisans Bursu tarafından kısmen sağlandı.
Kaynak: Journal reference: Rohwer, R.R., et al. (2025) Bir tatlı su gölünde iki on yıl bakteri ekolojisi ve evrimi. Nature Microbiology. doi.org/10.1038/s41564-024-01888-3.