Bakterilerin Çok Amaçlı Mimarisi

Bakterilerin salgıladığı ekzopopolimerlerin (EPS) çok işlevli bir sistem olduğu fikri internet söylentilerinden değil, doğrudan mikrobiyoloji araştırmalarının gelişiminden doğmuştur. Özellikle 1970’li yıllarda biofilm araştırmalarının öncülerinden biri olan J. William Costerton ve çalışma arkadaşları, bakterilerin yüzeylere tutunarak oluşturduğu kolonilerin etrafında polimerik bir matris bulunduğunu göstermiştir; daha sonra 1990’lı yıllarda Hans Curt Flemming gibi araştırmacıların çalışmalarıyla bu yapı Extracellular Polymeric Substances (EPS) olarak tanımlanmış ve detaylı biçimde incelenmeye başlanmıştır. EPS matrisi çoğunlukla polisakkaritlerden oluşur ancak yapısında proteinler, lipitler ve hücre dışı DNA da bulunabilir; bu moleküller birleşerek bakterilerin etrafında üç boyutlu bir biyopolimer ağ meydana getirir. Araştırmalar, bir biofilm yapısının toplam kütlesinin yaklaşık %85–90’ının EPS matrisi, yalnızca %10–15’inin bakteriyel hücrelerden oluştuğunu göstermektedir; yani bakteriler aslında büyük ölçüde kendi ürettikleri bir biyolojik mikro ortamın içinde yaşarlar ve bu polimer ağ biofilm oluşumunun temelini sağlar. Bu polimer ağ yalnızca bir yapışma aracı değildir; suyu tutabilen hidrojel benzeri özellikleri sayesinde mikro ortamın nemini korur, iyonları bağlayarak bazı metal streslerini azaltabilir ve antibiyotiklerin hücrelere ulaşmasını zorlaştırarak bakterilerin hayatta kalma olasılığını artırabilir. Ayrıca EPS içinde bulunan mikroskobik su kanalları koloninin farklı bölgelerine besin ve metabolit taşınmasına yardımcı olur ve bakteriler arasında kimyasal sinyallerin yayılmasını kolaylaştırır. Bu nedenle bazı araştırmacılar biofilmleri “mikropların şehirleri” olarak tanımlar; çünkü burada hücreler arasında iş bölümü, metabolik paylaşım ve genetik bilgi transferi gerçekleşebilir. Popüler bilim yazılarında EPS’in bazen “mikrobiyal İsviçre çakısı” olarak adlandırılmasının nedeni de budur: tek bir biyolojik yapı aynı anda yapışma, koruma, su tutma ve iletişim gibi birçok işlevi yerine getirebilir. Bana göre bu konu aynı zamanda doğanın mühendislik yaklaşımını anlamak açısından da oldukça öğreticidir. İnsan mühendisliği çoğu zaman farklı işlevler için ayrı sistemler tasarlarken bakteriler tek bir polimer matrisi içinde birçok fonksiyonu bir araya getirebilmiştir ve bu durum doğadaki verimlilik prensiplerinin ne kadar güçlü olduğunu gösterir. Hatta bazı araştırmacılar gelecekte geliştirilecek akıllı kaplamalar, biyolojik yapıştırıcı veya kirleticileri tutabilen biyopolimer filtrelerin tasarımında bu tür mikrobiyal sistemlerin model alınabileceğini düşünmektedir. Benim yorumuma göre bakterilerin geliştirdiği bu mikro ölçekteki mimari yapı, yalnızca mikrobiyolojinin değil aynı zamanda malzeme bilimi, biyoteknoloji ve sürdürülebilir mühendislik çalışmalarının da ilham kaynaklarından biri olabilir; çünkü doğa çoğu zaman karmaşık problemleri çok sade ama çok işlevli çözümlerle çözmeyi başarır ve bakterilerin oluşturduğu EPS matrisi bunun en iyi örneklerinden biridir.

Kaynakça

1-Flemming, H.-C., & Wingender, J. (2010). The biofilm matrix. Nature Reviews Microbiology.

2-Costerton, J. W., Stewart, P. S., & Greenberg, E. P. (1999). Bacterial biofilms: a common cause of persistent infections. Science.

3-Donlan, R. M. (2002). Biofilms: Microbial life on surfaces. Emerging Infectious Diseases.

4-Flemming, H.-C., Wingender, J., Szewzyk, U., Steinberg, P., Rice, S. A., & Kjelleberg, S. (2016). Biofilms: An emergent form of bacterial life. Nature Reviews Microbiology.

5-Bhushan, B. (2009). Biomimetics: Lessons from nature. Philosophical Transactions of the Royal Society A.