Çevresel DNA (eDNA) Nedir? Havada Bıraktığımız DNA Parçaları, Ekoloji ve Adli Tıpta Devrim Yaratabilir!

Araştırmacılar, havadaki hayvan ve insan DNA'sını başarılı bir şekilde topladılar ve tıpkı suda olduğu gibi, hayvanların ve insanların havada da kendilerine özgü takip edilebilir izler bıraktıklarını keşfettiler.

31 Mart 2021'de, PeerJ üzerinden yayımlanan çalışma sonuçları, ekolojik sürveyansa ek olarak bir gün adli tıp ve halk sağlığında ilerlemelere yol açabilecek çevresel DNA (veya eDNA, yani insan ve diğer canlıların çevreye saçtığı DNA) yeni araştırma sahasını temsil ediyor.^[1] Bölgede yaşayan türler hakkında bilgi edinmek için sudan eDNA toplamak oldukça yaygın hale geldi, ancak şimdiye kadar hiç kimse havadan hayvan eDNA'sı toplamaya çalışmamıştı. Bitkileri incelemek için havadaki DNA'yı kullanan ve mevcut çalışmaya dahil olmayan Texas Tech Üniversitesi ekologlarından Mark Johnson, şöyle söylüyor:

Memeliler üzerinde çalışmalar yapmak için doğrudan havadan alınan örnekler ilk kez kullanıldı ve bu, gerçekten heyecan verici. Havayla taşınan DNA'nın, başlangıçta düşündüğümüzden çok daha yaygın olduğunu öğrendik ve bence bu yeni makale, yeni alanlara genişlemenin kapısını açıyor.

Londra Queen Mary Üniversitesi'nde moleküler ekolog ve yeni makalenin ortak yazarı Elizabeth Clare'e göre eDNA, sucul sistemlerde biyo-izleme için en hızlı büyüyen ekolojik araçlardan biridir. eDNA'nın kullanımı, bütün organizmaların çevre içerisinde nereye giderlerse gitsinler "genetik parmak izleri" bırakıyor olmasına dayanmaktadır. eDNA, bir bölgede hangi türlerin sık olarak bulunduğu hakkında değerli bilgiler verebilir. Clare, şöyle söylüyor:

Karasal hayvanların varlığını izlemek için eDNA'yı havadan filtreleyip filtreleyemeyeceğimizi bilmek istiyorduk. Bir oyuk veya mağarada yaşayan, kolayca göremediğimiz veya yakalayamadığımız canlı türlerini belirlemenin bir yolu olarak havadan DNA alınması yöntemini kullanıp kullanamayacağımızla ilgileniyorduk.

Anonim

Son birkaç yılda eDNA, bilim insanlarının, yüksek derecede korunan büyük tepeli semender gibi nesli tükenmekte olan ve geleneksel yöntemlerle izlenmesi zor olan beyaz köpekbalığı gibi türleri izlemesine yardımcı oldu.^[2] Araç daha da geliştirildikçe, araştırmacılar, eDNA'yı su ürünleri yetiştiriciliği endüstrisindeki patojenlerin tespiti ve hatta memeliler dahil karasal organizmaların izlenmesi dahil olmak üzere yeni alanlarda kullanmaya başladı.^{[3], [4]} Ancak tüm bu durumlarda, örnekler, göller veya nehirler gibi su kaynaklarından veya nadir durumlarda nemli topraktan alınıyordu.

Clare, eDNA'nın havada tespit edilip edilemeyeceğini görmek için, 225 adet çıplak kör fareden oluşan bir koloninin bulunduğu 12 m² alana sahip küçük bir odada havadan memeli eDNA'sı almak amacıyla basit bir deney tasarlayarak işe başladı. Clare, The Scientist'e verdiği demeçte şöyle söylüyor:^[5]

Bu çıplak kör fare kolonisi, deney odasında çok uzun bir zaman boyunca, yerleşik bir halde bulunmuştu. Bundan yola çıkarak, havada DNA birikmesi durumunda, örnek almak mümkün olacaktı.

Heike Lutermann

Clare, mevcut sucul eDNA prosedürlerinden yararlanarak, 22 ve 45 mikrometrelik iki filtreden, su numunesi yerine hava çekmek için bir pompa düzeneği kurdu. eDNA, saç veya deri parçaları, serbest dolaşan yalın DNA gibi çeşitli biçimlerde olabileceği için, deney düzeneği, büyük olasılıkla birçok farklı büyüklükteki parçacıkları yakalayabilecekti. Çalışma ekibi, ayrıca DNA miktarının 5, 10 veya 20 dakika sonra farklı olup olmadığını görmek için farklı filtreleme sürelerini test etti. Deney, çıplak kör farelerin oyuk sistemi içindeki hapsolmuş havadan ve açık odadan altışar adet olmak üzere toplam 12 örnek ile ikişer adet pozitif ve negatif kontrolden oluşturuldu.

İki örnek hariç tümünde, çıplak kör fare DNA'sı tespit edildi. Oyuklar, daha büyük odadan daha güçlü bir sinyal oluştursa da, ne filtre boyutu ne de zaman (ve dolayısıyla filtrelenen havanın hacmi) DNA veriminde önemli farklılıklara yol açmadı. Clare, şöyle söylüyor:

Deneyin yapılır yapılmaz başarıya ulaşması bizi şaşırttı. Aslında, bir dizi değişiklik yapmamız gerekebileceğini düşünüyorduk, ancak buna gerek kalmadı ve ilk denememizde işe yaradı.

Aşağıdaki videoda, moleküler ekolog Elizabeth Clare, memelilerin havadaki genetik izlerini aramak için sudaki eDNA'yı örneklemek amacıyla geliştirilen tekniklerden nasıl yararlandığını anlatıyor.

eDNA üzerine çalışmalar yürüten ve mevcut araştırmada yer almayan Amsterdam Üniversitesi'nden evrimsel biyolog Kathryn Stewart, bu çalışmanın gelecekteki çalışmalar için sağlam bir temel oluşturduğunu söylüyor. Aynı şekilde yeni çalışmada bulunmayan Texas Tech Üniversitesi'nden ekolog Matthew Barnes ise şöyle söylüyor:

Nispeten büyük hayvanlardan alınan DNA'nın hava örneklerinde de tespit edilebileceğinin ispatlanması, havada taşınan eDNA analizi potansiyelini önemli ölçüde genişletiyor.

Clare; oyuklar, mağaralar ve çukurlar gibi erişilmesi zor olabilecek alanlarda havadaki DNA'nın, ekolojik araştırmalar için önemli olduğunu düşünüyor. Clare ile aynı fikirdeki Johnson, birkaç yıl önce yarasalarda beyaz burun sendromunu non-invaziv olarak izleyebilmek amacıyla havadaki eDNA'nın kullanılması için çalışmasına finansal destek (hibe) başvurusunda bulunmuştu; ancak o zamanlar proje çok deneysel olarak görüldüğü için kabul almamıştı. Stewart, eDNA'nın sucul bilimdeki başarılarından sonra The Scientist'e şöyle söylüyor:^[5]

Birinin bunu bir adım öteye götürdüğünü görmek ve başka hangi tür ortamlardan DNA elde edebileceğimizi bilmek çok heyecan verici. Ortaya koydukları tek sonuç, havadan DNA'yı kesin olarak toplayabileceğinizdir; ancak, saha için ileriye dönük daha çok fikre ihtiyacımız var. Önümüzdeki zorlukların da heyecan verici fırsatlar olduğunu düşünüyorum.

Elizabeth Clare, The Scientist

Bu zorluklardan biri, kontaminasyon (bulaşma) problemi olacaktır. Araştırmacılar, şaşırtıcı bir şekilde yaptıkları deneyin negatif kontrollerinde insan DNA'sı buldu. Öyle ki, bazı örneklerde, insan bileşeni, oyukların içinde bile çıplak kör farelerinin bileşenleri kadar güçlüydü. Sonrasında, bunun nedeninin, deneyi yapan araştırmacılardan kaynaklı kontaminasyon olduğu anlaşıldı. Memeli olmayan canlılar üzerinde çalışmalar yapan araştırmacılar için, kullandıkları sıralama araçları yalnızca çalışmayla ilgili türün bileşenlerini belirlediğinden, bu durum daha az endişe verici. Stewart, şöyle söylüyor:

Evrim Ağacı'ndan Mesaj

Neden Desteğe İhtiyacımız Var?

Aslında maddi destek istememizin nedeni çok basit: Çünkü Evrim Ağacı, bizim tek mesleğimiz, tek gelir kaynağımız. Birçoklarının aksine bizler, sosyal medyada gördüğünüz makale ve videolarımızı hobi olarak, mesleğimizden arta kalan zamanlarda yapmıyoruz. Dolayısıyla bu işi sürdürebilmek için gelir elde etmemiz gerekiyor.

Bunda elbette ki hiçbir sakınca yok; kimin, ne şartlar altında yayın yapmayı seçtiği büyük oranda bir tercih meselesi. Ne var ki biz, eğer ana mesleklerimizi icra edecek olursak (yani kendi mesleğimiz doğrultusunda bir iş sahibi olursak) Evrim Ağacı'na zaman ayıramayacağımızı, ayakta tutamayacağımızı biliyoruz. Çünkü az sonra detaylarını vereceğimiz üzere, Evrim Ağacı sosyal medyada denk geldiğiniz makale ve videolardan çok daha büyük, kapsamlı ve aşırı zaman alan bir bilim platformu projesi. Bu nedenle bizler, meslek olarak Evrim Ağacı'nı seçtik.

Eğer hem Evrim Ağacı'ndan hayatımızı idame ettirecek, mesleklerimizi bırakmayı en azından kısmen meşrulaştıracak ve mantıklı kılacak kadar bir gelir kaynağı elde edemezsek, mecburen Evrim Ağacı'nı bırakıp, kendi mesleklerimize döneceğiz. Ama bunu istemiyoruz ve bu nedenle didiniyoruz.

Destek Ol

Ancak, memeli DNA'sını tespit etmeyi amaçlayan örnekleme için kontaminasyon en büyük zorluklardan biri olacaktır.

Clare, kontaminasyonu engellemek için olası yöntemler üzerinde şimdiden beyin fırtınası yapmaya başladı. Çalışmaların kontaminasyon olmadan sürdürülmesi için olası yöntemlere şunlar örnek verilebilir: solunum aygıtları içeren giysiler ile numuneler toplamak, Johnson'ın havadan bitki DNA'sı toplama çalışmasında yaptığı gibi havada bulunan artık malzemeleri pasif bir şekilde toplamak için sahada günler veya haftalarca toz tuzakları konuşlandırmak veya dizileme sırasında insan DNA'sının çoğalmasını engelleyen bloke edici problar kullanmak...^[6]

Clare ayrıca, genetik materyalin havanın değişen ortamında nasıl davrandığını ve varlığını sürdürdüğünü daha iyi anlamak için çalışmalar tasarlıyor. Tüm bunlar, su araştırmalarına uygulanan aynı titiz standartları kullanarak havadan gelen eDNA'yı doğrulamak için itici bir güçtür.

Deneydeki insan kontaminasyonu keşfinin en güzel yanı, havadaki DNA'nın adli tıp veya halk sağlığı uygulamalarında kullanılabileceğini göstermesidir. Bu çalışmaya ev sahipliği yapan üniversite, araştırma ekibinin, tekniğin başka şekillerde nasıl uygulanabileceğini görmek için NatureMetrics şirketi de dahil olmak üzere sektördeki şirketlerle çalıştığını söylüyor. Clare, şöyle söylüyor:

Bu yaklaşımın ekolojik değerlendirmeler için kullanılıp kullanılamayacağını görme girişimi olarak başlayan çalışma, adli tıp, antropoloji ve hatta tıp alanındaki potansiyel uygulamalarla artık çok daha fazlasını ifade eder hale geldi.

Suç mahallerinden alınan DNA, genellikle bozulmuş veya seyrelmiş bir haldedir. Clare, havadan nükleik asidin sadece çok küçük parçacıklarını toplayarak oldukça kullanılabilir sonuçlar elde etmeyi başardı. Geleneksel DNA toplama yöntemleri belirsiz kalırken, Clare'in geliştirdiği yöntem sayesinde verinin ne kadarının bilinmeyen kaldığı hızlıca belirlenebilir.

Şüphesiz bu başarı, gelecekte, bilimsel araştırmalarda olduğu kadar suça karşı verilen mücadelede de büyük bir önem taşıyacaktır. Buna en güzel örnek; bazı büyük suç olaylarında, suçlular yok ettiği için, olay yerindeki yüzeylerde belirgin DNA izi bulunamamasına karşı, alternatif olarak havadan DNA alma yöntemi ile başarılı sonuçlar elde edilebilecek olmasıdır.

Ancak, yine de bunun için henüz erken olduğunu söyleyebiliriz. Clare, şöyle söylüyor:

Havadan DNA toplanması ile neler yapabileceğimiz konusunda, henüz spekülasyon aşamasındayız. Havadan DNA toplanması mümkün mü? Evet. Bunun ötesinde kesin olarak bir şey söyleyebilir miyiz? Hayır.