Çok Sayıda Araştırma Grubu, Tüm Türlerin Genomunu Dizilemek İçin Yıllardır Didiniyor! Neden?

Bilim insanları her tür bakteri, arke, bitki ve hayvanların genlerini dizileyerek bu bilgileri halka açık hale getirmek istiyorlar; böylece sağlıkla ilgili, endüstriyel ve çevresel sorunlarla ilgili bize bilgi verecek verileri toplamayı umuyorlar.

Büyük kapsamlı dizileme çalışmaları etkileyici bir hızla dizileme işlemlerini sürdürüyorlar; buna rağmen Evrim Ağacı üzerinde halen önemli boşluklar yer alıyor. Tüm bu gruplar birbirlerinden bağımsız olarak dizileme işlemlerini sürdürüyorlar. Buna rağmen, bulgularını birleştirerek çok daha derin ve cevaplanmamış sorulara yanıtlar bulabilirler. Örneğin ilk yaşamın nasıl evrimleştiğine, şu anda nasıl işlediğine ve ileride neye benzeyeceğine yönelik soruları... Kaliforniya'nın Walnut Creek bölgesinde bulunan ABD Enerji Bakanlığı Birleşik Genom Enstitüsü'nde (JGI) görev alan ve bugüne kadar 1.000 farklı mantar genomunun dizilenmesinde görev alan program başkanı Igor Grigoriev şöyle söylüyor:

Halen gelişim aşamasındayız. Her bir konsorsiyum belli bir taksonomik alana odaklanmış halde. Her biri, kendi verilerini topluyor ve olabildiğince iyi veriler inşa etmeye çalışıyor. Bu gruplar arasında ufak çaplı iletişim söz konusu; ancak büyük çapta bir veri entegrasyonu için halen yapılacak işler var.

Bu gruplar arasında her ne kadar az miktarda iletişim olsa da, verilerinin bir kısmı ortak veritabanlarında toplanıyor. Ulusal Biyoteknoloji Bilgi Merkezi'nin genom veritabanı yanısıra, JGI tarafından maddi destekle inşa edilen Genom Çevirimiçi Veritabanı (GOLD) da bulunuyor. Bu veritabanı, genom dizileme girişimleri ve metagenom projeleriyle ilgili bilgileri bir arada topluyor. GOLD şu anda yoğun olarak mikrobik genomlara odaklanmış vaziyette; ancak bazı ökaryotik genomları da bünyesinde barındırıyor. Bu projelerin birçoğundan gelen veriler JGI veritabanlarına entegre ediliyor ve yine Enerji Bakanlığı tarafından sağlanan KnowledgeBase isimli araç sayesinde internete yüklenebiliyor. Grigoriev bunu şöyle anlatıyor:

Hem gruplar arası iletişim, hem de yaşamın farklı alanlarıyla ilgili daha geniş çaptaki bilimsel soruların sorulabilmesi için yaratıcı araçlar geliştirilmesi çok önemlidir. Bilim cemiyeti olarak sanıyorum ki şu anda böyle bir bütünleşmeye doğru ilerliyoruz.

İnşa edilen bu ilkin koleksiyona rağmen halen bazı gruplar kendi alanlarındaki kritik türlerin genomu üzerinde çalışıyorlar. 2011 senesinde mikrobiyal genomik cemiyetinin üyeleri bir metin yayınladılar. Bu metin, geniş çaplı genom dizileme projelerine, özellikle de bakteri ve arkelerin genomlarının dizilenmesi için fon sağlanmasına çağrıda bulunuyordu. Amaç, bakterilerin Evrim Ağacı'ndaki boşlukları doldurabilmekti. Ancak bu çağrı pek işe yaramadı; ancak Bakteri ve Arke Genomik Ansiklopedisi (GEBA) pilot projesi gibi binlerce mikrobik canlının genomunu barındıran genom dizileme girişimleri, genetik bilimciler ve mikrobiyel biyologların bu dizileme çalışmalarının tamamlanabileceğine inanmasını sağladı. JGI'daki mikrobik genomik ve metagenomik programı başkanı Nikos Kyrpides şöyle diyor:

3 yıl önce bunun bir dönüm noktası olduğunu sandık. Bilim cemiyeti, mikrobik dizileme çalışmalarının daha fazla fon alacağına inanıyordu. Bu sadece halk sağlığı ve sanayi uygulamaları için değil, filogenetik evrim ağacı üzerinde bizlere kıyas yapabileceğimiz genomlar da sağlayacaktır.

JGI'daki araştırmacılar ve birkaç uluslararası enstitü, o zamandan bu yana 3.000 civarında mikrobun tüm genetik haritasını çıkardılar. Ancak bakteri ve arke alanlarının genomları halen boşluklarla dolu. Bu sebeple Kyrpides ve arkadaşları şu anda Mikrobiyal Dünya Projesi isimli bir projenin önemine yönelik kamuoyu yaratmak için yeni ve güncellenmiş bir metin yayınlamaya hazırlanıyorlar. Bu proje sayesinde önümüzdeki 3 sene içerisinde 11.000 farklı türün 7.830 tanesinin genomları dizilenecek. Kyrpides şöyle söylüyor:

Bugüne kadar bildiğimiz arke ve bakteri çeşitliliğinin sadece %10-15 arası dizilendi. Bu inanılmaz küçük bir miktar.

Problemin bir kısmı, birçok devlet ve özel fon ajanslarının, insan sağlığı, endüstriyle ilgili araştırmalar ve çevresel sorunlara yönelik türlerin genomlarını dizileyecek araştırmalara fon ayırmak istiyor oluşu. İspanya'nın Barcelona şehrinde bulunan Genomik Düzenleme Merkezi Biyoinformatik ve Genomik Bölümü'nün başındaki Toni Gabaldon şöyle söylüyor:

Çoğu zaman örneğin tarım için faydalı olan türlerin genomlarını dizilemek için fon almak kolay oluyor. Bu tür projeler fon alma sürecinden çok daha hızlı geçiyor, çünkü devletler ve şirketler bu şekilde yönlendirilmiş çabaları desteklemek istiyorlar.

Kyrpides, bu fon ajanslarının çoğu zaman birlikte çalışmadığını ancak genellikle geniş, ansiklopedik dizileme çalışmaları için birden fazla ajanstan fon almak gerektiği ve bunun bir sorun olduğunu söylüyor. Bunu şöyle açıklıyor:

Fon ajanslarının tutumlarını değiştirmesi için uğraşıyoruz: projeleri uygulamalarına göre ayırmayın, birlikte çalışın!

Genomik dizileme konsorsiyumlarının büyük bir kısmı Evrim Ağacı'nın belirli dallarını dizilemeye kendilerini adamış vaziyetteler. Aynı dal üzerinde çalışan araştırmacılar, kaynaklarını bir arada toplamanın bilimsel gelişimi kat kat hızlandırdığını fark ettiler. Bunu fark eden gruplar arasında Küresel Omurgasızlar Birliği (GIGA), 5.000 Böcek Henomu Projesi (i5K), 1.000 Mantar Genomu Projesi, ABD Ulusal Bilim Vakfı (NSF) Bitki Genomu Araştırma Programı ve Genom 10.000 Projesi var. Bu son proje, 10.000 omurgalı genomunu dizilemeyi hedefliyor. Bunlara ilaveten Smithsonian Enstitüsü tarafından yürütülen Küresel Genom Girişimi (GGI) de bulunuyor. Bu girişim, şimdiye kadar tanımlanmış 9.500 omurgasız, omurgalı ve bitki ailesinden en azından 1'er türün genomunu dizilemeyi hedefleyen ortak bir girişim.

ABD Tarım Bakanlığı'nın konuyla ilgili ulusal programının lideri olan ve i5K projesinin liderlerinden biri olan Kevin Hackett, piyasaya giderek daha fazla sayıda uzun okuma ve dizileme teknolojisi sürüldükçe, genomları dizileme masraflarının da düştüğünü söylüyor. Hackett, aynı zamanda bu durumun bir rekabeti doğurduğunu ve böylece uzmanların kendi biyolojik arka planları çerçevesinde diziledikleri verileri toplayıp, isimlendirip, bir arada toplamalarına teşvik ettiğini söylüyor.

Bu analitik çabalar çok önemli. Çünkü araştırmacılar fon için rekabet etmektense, bu ortak hedefler çerçevesinde birleşiyorlar, gereksiz tekrarlardan kurtuluyorlar ve toplam masrafları düşürüyorlar. iPlant İşbirliği'nin yöneticisi olan Stephen Goff, genomik araştırmalar sahasında gerçek bir ortaklık kültürünün evrimleşmeye başladığını söylüyor.

iPlant grubu, kendi açılarından yeni genomik dizileme verileri üretmektense, bulut hesaplama (cloud computing), veri depolama ve genomik analiz araçlarının daha geniş bir bitki araştırmaları cemiyetinin hizmetine sunulabilmesi konusunda çalışıyor. Örneğin iPlant, Afrika Ekin Konsorsiyum'unun, kıtanın tarımını geliştirecek olan 101 ekin türünün dizilenmesi için gereken siber altyapıyı ve analiz araçlarını geliştiriyor. Goff'un anlattığına göre iPlant aynı zamanda i5K projesi ve diğer böcek dizileme projeleri için altyapının sağlanması için gönüllü oldu.

Diğer gruplar ise kendilerinin veri depolama ve analiz araçlarını üretiyor. NSF'in kendine ait Bitki Genomu Araştırma Programı olmasına rağmen, sadece yeni genom dizileri üretmiyorlar; aynı zamanda tüm var olan genomik veriyi bir arada toplayacak bir platform geliştirmeye çalışıyorlar. Bu veritabanında genomları dizilenmiş tüm türlerin evrimsel ilişkileri ve tür çeşitliliği bilgileri yer alacak. Avrupa'daysa Avrupa Yaşam Bilimleri Biyolojik Bilgi Altyapısı (ELIXIR) üyeleri bilim insanlarının bütün genomlar gibi büyük veri kümelerini depolayıp paylaşabilecekleri bir kaynak geliştirmeye çalışıyorlar. JGI'da görev alan Grigoriev'in takımı internet tabanlı ve halka açık bir genom kaynağı oluşturmaya çalışıyorlar. Grigoriev şöyle anlatıyor:

MycoCosm, mantar genomik verilerinin ve işlemsel araçların entegrasyonuna bir örnektir. Bu araç, mantar biyologlarını ve araştırma cemiyetlerini bir araya getirmektedir. Buradan yola çıkarak, bir sonraki durağımız olan, birden fazla taksonomik alanı entegre edebileceğimiz araçlara ulaşabiliriz.

Biyoinformatik araçları, genomik araştırmalarının hızına yetişebilmek için giderek daha karmaşık olacak şekilde evrimleşmek zorunda kalacak. Örneğin belirli bitkiler, mantarlar ve iç bakteriler arasındaki karmaşık taksonomik alanlar arası ilişkileri içerebilmeli. Ancak sadece tek bir konsorsiyumun veritabanı içerisinde bile onlarca veya yüzlerce genomik dizi olduğu için, bunları barındıran depoları hazırlamak ve analitik araçları geliştirmek her zaman zorlu bir mücadele oldu. Genom 10K Projesi'nin baş araştırmacılarından biri ve Smithsonian Koruma Biyolojisi Enstitüsü'nde konuk bilim insanı olan Klaus-Peter Koepfl en son olarak şunları söylüyor:

Hesaplamalı biyoloji alanında çalışan birçok bilim insanı ve biyoinformatikçi aynı zamanda diğer biyologlarla birlikte çalışarak dizileme verilerini analiz ve organize etmeye çalışıyor. Bu zorlu bir mücadele; ancak son derece optimistik yaklaşıyorum. Çünkü bu konuda bol miktarda inovasyon ve enerji var. Tüm yaşayan canlıların filogenisini oluşturmak için önümüzde birçok engel var; ancak bu harika bir hedef!