Omik Teknolojileri, Metabolomik ve Biyoinformatik Uygulamalar

Omik Teknolojileri, Metabolomik ve Biyoinformatik Uygulamalar

Son zamanlarda biyoteknoloji alanında gerçekleşen hızlı gelişmeler sayesinde omik terimini ve omik teknolojilerini çok fazla duyuyoruz. Peki nedir bu omik terimi? Omik teknolojileri neleri kapsamaktadır ve bu alanlarda nasıl çalışmalar yapılmaktadır?

Omik Kavramı ve Omik Teknolojileri

“-omik” eki biyolojik veriler üzerine yapılan bilimsel çalışmaları ifade eder. Latince “-ome” ekinden türemiştir. Bütünü ve tüm olmayı temsil eder. Bütün içerisindeki parçaların analizini ve bu analizlerle de bütünün anlaşılmasını sağlar. Omik, içerisinde çok farklı teknolojileri barındırmaktadır. Bu teknolojiler hücreyi, molekülleri ve organizmayı kapsamlı ve detaylı bir şekilde araştırabilmemizi sağlar. Kapsamlı ve detaylı araştırma; hücre, doku ve organizmanın genom, transkiptom, proteom ve metabolom olmak üzere dört temel başlıkta incelenmesini ifade eder. Bu dört temel başlığı ve teknolojilerini kısaca şöyle tanımlayabiliriz:

  • Genom, kalıtım birimini ifade eder. Transkiptom tüm RNA transkriptlerinin olduğu kümedir. Proteom; genom tarafından sentezlenen tüm proteinlerdir. Metabolom ise hücre, molekül veya organizmada bulunan metabolizmanın tümünü ifade eder. Bu dört temel başlık bilimin ilerlemesiyle birlikte birçok alt çalışma alanının oluşmasını sağlamıştır.
  • Genomik: Bir canlının yapısal ve işlevsel fonksiyonlarını kodlayan tüm genlerini tanımlayarak bu genlerin birbirleri ve çevreleri ile etkileşimlerini ve iletişimlerini inceler. Zaman, yer ve miktar olarak üretim ve aktivasyonlarının kontrolünü inceleyen ve ortaya çıkan bilgiyi veri tabanlarında işleyen, anlamlandıran ve saklayan bilim dalıdır.
  • Proteomik: Belli bir zamanda belli bir yerde bulunan tüm proteinlerin yapılarını, yerleşimlerini, miktarlarını, translasyon sonrası modifikasyonlarını, doku ve hücrelerdeki işlevlerini, diğer proteinlerle ve makro moleküllerle olan etkileşimini aydınlatır. Proteomik, dinamik bir terim olup farklı koşullarda hücre, doku veya vücut sıvılarındaki proteinlerin kantitatif analiz teknolojisi olarak tanımlanır.
  • Transkiptomik: Hücre genomundan transkripsiyonla oluşan mRNA transkriptlerinin eş zamanlı incelenmesidir. Bir örnekte bulunan RNA miktarına bağlı olarak, genlerin seçilmiş bir alt grubunun veya tamamının ekspresyon düzeyini ölçmeyi hedeflemektedir.
  • Metabolomik: Metabolomik uygulamalarında klinik hastalıkların izlenmesi, terapötik uygulamaların değerlendirilmesi ve genetik modifikasyonların etkisinin anlaşılması yer almaktadır. Vücutta var olan bütün metabolitlerin tanımlanması metabolomik teknolojileri ile yapılır. Metabolitler çok çeşitlidir ve farklı konsantrasyonlarda bulunmaktadırlar. Bu teknolojide metabolitlerin saptanması, ayrılması, tanınması ve analizi yapılmaktadır. Tüm bu işlemlerin kısa sürede, hassasiyet kaybı yaşanmadan ve yüksek verimle gerçekleşmesi metabolomik için önemli parametrelerdendir. Bu teknolojide NMR, MS, GC-MS ve LC-MS gibi çok değişkenli veri analiz yöntemleri kullanılmaktadır. Metabolitlerin karakterizasyonu ile metabolizma ve moleküllerin parmak izi okuması sağlanabilir.

Omik teknolojileri; bahsettiğimiz tüm bu çalışmaları yapabilmemizi sağlayan, bilim insanları tarafından geliştirilen araçlardır. Bu omik teknolojileri ile bağlantılı olarak farklı omik teknolojileri de geliştirilmiştir. Bunlara örnek olarak Farmakogenomik ve Nutri-Genomikten bahsedebiliriz.

  • Farmakogenomik: İlaç tedavilerinin istenen etkinliğe ulaşmasında bireysel faktörler oldukça önemlidir. Bizler bugün aynı ilaç dozundaki etkinliklerin bireyler arasında değiştiğini biliyoruz. Bunun sebebi ise herkesin kendine has farmakogenomik profilinden kaynaklanmaktadır. Farmakogenomik profilin aydınlatılması bireysel ilaç çalışmalarının önünü açacak ve bu çalışmaları hızlandıracak olması bakımından oldukça önemlidir. Genomik ve proteomik ne olabileceğinin, metabolomik ise gerçekte ne olduğunun bilgisini vermektedir. Bu nedenle, tüm metabolitlerin ayrıntılı ve kantitatif ölçümü (metabolomik) hastalık ajanlarının fenotip üzerindeki etkilerinin bireyden bireye değişen gen varyasyonlarına göre araştırılmasında en ideal yöntemdir. Tüm bu çalışmaların yapılmasında metabolomik teknolojiler önemli bir yer kapsamaktadır.

Nutri-Genomik: Besin maddelerinin genom ile etkileşimini inceler. Nutri-Genomikte amaç insan yaşam kalitesini iyileştirmek, sağlıklı yaşlanmayı sağlamak ve hastalığı önlemeyi amaçlayan bireysel diyet yöntemleri elde etmektir. Nutri-Genomikle birlikte gen-diyet etkileşimi çözümlendikçe hastalıkları önleyebilmek veya hastalıkların etkilerini azaltabilmek için uygun beslenme reçeteleri oluşturulacaktır. Bu reçetelerle oluşturulan kişiye özel beslenme düzeni tedavilerin de etkinliğini arttıracaktır.

Yazımızın asıl konusuna dönecek olursak metabolomiğin vücutta ki tüm metabolitlerin tanımlanması teknolojisi olduğunu daha önce söylemiştik. Peki metabolit terimi neyi ifade ediyor?

Metabolit; peptitler, aminoasitler, nükleik asitler, karbohidratlar, organik asitler, vitaminler, polifenoller, alkoloidler, mineraller gibi hücre ya da organizma tarafından sentezlenen, kullanılan veya sindirilen kimyasal maddeleri tanımlar. Örnek olarak verilen metabolitlerden bazılarının molekül ağırlıkları 1500 Dalton’un altındadır. İnsandaki metabolitlerin sayısı tam bilinmemekte birlikte en fazla yirmi bin olduğu tahmin edilmektedir. Metabolomik teknolojisin bu anlamdaki önemini şöyle açıklayabiliriz; insanlarda bulunan hastalıkların önceden teşhisi, hastalığın etkin bir şekilde tedavi edilmesi ve etkin tedavi haritalarının kısa sürede oluşturulmaları için metabolomik teknolojileri ile yapılan analizlerden edilen bulgular çok önemli bir rol oynamaktadır.

Metabolomik ve diğer omik teknolojilerinin kullanım alanları hızla artmaktadır. Bu teknolojilerin kullanılmasında biyoinformatik araçlar yer almaktadır. Biyoinformatik, biyolojik veriyi depolama teknikleri ve depodan bulma teknikleri geliştirir, düzenler ve analiz eder. Biyoinformatikte kullanılan yani işlenilen veri tipi genetik veri ve buna bağlı gen ifadesidir. Genetik veri DNA özellikleridir. Bu özellikler sekanslama ile analiz edilir. Sekanslama, nükleik asit zincirini oluşturan nükleotidlerin adenin, timin, sitozin, guanin, urasil sırası ile belirlenmesidir.

Biyoinformatik araçlarla birlikte kullanılan metabolomik teknolojisin gıda alanında uygulama alanları oldukça geniştir. Gelişmekte olan patolojilerin (obezite, metabolik sendrom, tip-2 diyabet, vb.) öngörücü biyobelirteçlerini keşfetmek için metabolomik araştırmalar yapılmaktadır. Gıda bilimi alanında, gıda orijinalliği, gıda kalitesi ve gıda güvenliği alanlarında metabolomik teknikler kullanılmaktadır. Metabolomik ile gıda bileşenlerinin analizi yapılmaktadır ve bunların biyolojik metabolizma üzerindeki rolü araştırılmaktadır.

Klasik yaklaşımların yetersizliği tüm organizma üzerindeki yapılacak olan çalışmalarda yeni yaklaşımlara ve teknolojilere olan ihtiyacı doğurmuştur. Yeni yaklaşımlar, klasik yaklaşımların aksine tek bir hedef üzerinde yapılan ve sınırlı sayıda bulguların edildiği çalışmalardansa; vücutta var olan her şeyi ölçebilme hedefiyle birlikte vücutta gerçekleşen herhangi bir değişimin ve değişkenin nasıl yanıtlara yol açtığını tanımlayarak ortaya koymaktadır. Tüm bu sonuçlar biyoinformatik araçların veriyi yeterli bir şekilde yönetme ve analiz etme yetenekleri sayesinde mümkündür.

İnsan genomunu açıklayan teknolojilerden sonra bireysel fenotip farklılıklarına yol açan bölgelerin haritalanması devam etmektedir. Bu yaklaşımlarla sağlıkta bireysel değişikler de meydana gelmektedir. Bu değişiklikler gıda alanını da önemli ölçüde etkilemiştir. Bu bilgilere göre bilim insanları belirli genlerdeki sekans varyasyonlarının besin maddelerine olan fizyolojik cevabı etkilediğini söylemektedir. Metabolomikle birlikte tüm bu değişiklikler anlamlandırılabilmektedir.

Gıda alanında metabolomiğin kullanımını iki başlık ve farklı çalışmalar üzerinden örnekleyebiliriz:

  • Gıda Bileşimi Kontrol Çalışmaları: 2006 yılında yapılan bir çalışmada domatesin ve domates suyunun LC/MS ve NMR cihazları kullanılarak metabolit profili çıkarılmıştır. Ürünlerde saptanan metabolitler domateslerin orjinin belirlenmesinde kullanılmıştır.
  • Gıda Kalitesi Kontrol Çalışmaları: Metabolit profili ürüne özel karakteristik belirlenmesiyle bir ürünün hileli olup olmadığı kolayca anlaşılabilmektedir.
  • Fareler Üzerinde Yapılmış Metabolomik Çalışmalar: İki grup fare üzerine yapılan bir çalışmada iki hafta süre boyunca bir grup fareye tam tahıl unu içeren diyet listesi uygulanırken diğer guruba aynı miktarda rafine buğday unu içeren diyet listesi uygulanmıştır. İki haftanın sonunda farelerde oksidatif stres belirteçleri olarak bilinen izoprostanlar, malondialdehitler, E ve C vitaminleri, lipit düzeyleri metabolomik teknolojileri ile ölçülmüştür. Tam tahıl unu ile beslenen farelerde bazı ara ürünlerin, aminoasitlerin anlamlı olarak daha yüksek olduğu ve bu farklılığın bazal metabolizma hızında değişikliğe sebep olduğu bildirilmiştir. Farelerde betain ve glutatyon seviyelerinin arttığı gözlemlenmiş bu durumun oksidatif stresi azalttığının ve iyi redoks durumun işareti olarak kabul edilmiştir. Bu çalışmadan şunu anlıyoruz; metabolit profili çıkarılarak beslenme çeşitlerinin vücutta ne gibi değişikliklere sebep olduğunu görebilir ve bu bulgulara göre yaşam tarzında hastalık önleyici farklılıklara yönelebiliriz.
  • İnsanlar Üzerinde Yapılan Çalışmalar: Obezite ile ilgili biyobelirteçlerin tanımlanması sağlanmıştır. Dallı zincirli aminoasitler, esterlenmemiş yağ asitleri, organik asitler, asilkarnitinler ve fosfolipidler bu belirteçlerdendir. Vücutta bu metabolitlerin miktar tayinleri yorumlanarak obeziteye karşı çeşitli tedavi yöntemlerinin geliştirilmesi sağlanabilir.

Omik Teknolojilerde Kullanılan Cihazlar ve Yöntemler

  • Kütle Spektrometresi (MS): MS iyon oluşturma ve bu iyonları kütle/yük oranlarına (m/z) göre ayırma yeteneğine sahip cihazlardır. Ayırmanın sağlanabilmesi için cihaz içinde elektrik ya da manyetik alanlar oluşturulmuştur. Bu alanlar iyonların yörüngelerini, hızlarını ve istikametlerini etkileyerek ayırma sağlarlar. Kütle spektrometresinin temel bileşenleri iyonlaştırıcı kaynak, analizör, detektör, veri işlemcisi ve vakum pompasıdır. Tüm bu prosedürleri kısaca şöyle özetleyebiliriz;
  • Elektron ışını (iyonlaştırıcı kaynak) kimyasal numuneyi (molekülleri) iyonlarına dönüştürecek yeterli enerjiye sahiptir.
  • Manyetik alan üzerinden (analizör) iyonlar kütlelerine ve yüklerine göre ayrılır.
  • İyon dedektöründe bilgiyi analiz etmek ve molekülün yapısını çıkarmak için molekülün kütle/yük oranını gösteren grafikler oluşturulur.
  • NMR: Moleküllerin yapı tayininde kullanılan önemli bir tekniktir. Bu yöntemle, bir molekülde fonksiyonel grupların sayıları yanında, bunlara komşu olan gruplar da tespit edilebilmektedir. Diğer spektroskopik yöntemlerle elde edilen bulgular ile birlikte değerlendirilirse, aydınlatılması istenen yapıya daha kolay ulaşılabilir.
  • GC/MS: Gaz kromatografisi ve MS’in birlikte kullanıldığı bir yöntemdir. Gaz kromatografisi ile gaz fazında bulunabilen veya gazlaştırılabilen içerikler, kütlesel olarak ayrıştırıldığında ileri seviyede moleküler tayinle aydınlatılabilirler. MS de kromatografik ayırım sonrasında numune içeriğin niceliksel (kantitatif) olarak belirlenmesini sağlar.
  • LC/MS: Sıvı kromatografisi ve MS’in birlikte kullanıldığı bir yöntemdir. Sıvı kromatografisi, karışımdaki bileşenleri ayırırken kütle spektroskopisi, her bir bileşenin yapısal olarak tanımlanmasında yardımcı olur.

Tüm bu bilgilerden sonra çıkaracağımız en büyük sonuç omik teknolojileri ve özellikle metabolomikle bireye özgü yaklaşımlar hastalıkların erken teşhisi ve etkin tedavisi için oldukça önemli çalışma alanlarıdır. Bunların yanında bireye özgü oluşturulacak yaşam tarzları hastalığa yakalanma durumunun da engelleyicisi olabilme önemini taşımaktadır. Henüz yeterince geliştirmemin yapılmadığı yeni olan bu teknolojinin üzerine daha fazla araştırmanın yapılması gerekmektedir.

Sağlıkla kalın, bilimle kalın.

Zeliha Şekerli

İstanbul Üniversitesi Eczacılık Fakültesi

IT Team Intern

REFERANSLAR

Doherty MK, Mc Lean L, Hayter JR, Pratt JM, Robertson DH, El Shafei A. 2004. The proteom of chicken skelatal muscle; changes in soluble protein expression during growth in a layer strain. Proteomics 4: 2082-2093.

Ogrinc N, Kosir IJ, Spangenberg JE, Kidric J. 2003. The application of NMR and MS methods for detection of adulteration of wine, fruit juices and olive oil. Anal Bioanal Chem 376: 424-430.

Carrasco-Castilla J. Hernandez-Alvarez A. J. Jimenez-Martınez C. Gutierrez-Lopez G. F. & Davila-Ortiz G. (2012). Use of proteomics and peptidomics methods in food bioactive peptide science and engineering. Food Engineering Reviews 4 224-243.

German JB, Hammock BD, Watkins SM. Metabolomics: Building on a century of biochemistry to guide human health. Metabolomics 2005; 1: 3-9.

Gibly A, Bonshtien A, Balaji V, Debbie P, Martin GB, Sessa G. Identification and expression profiling of tomato genes differentially regulated during a resistance response to Xanthomonas campestris pv. vesicatoria. Mol Plant Microbe Interact, 2004; 17(11): 1212-22.

Bren L. Metabolomics: Working toward personalized medicine. FDA Consum, 2005; 39: 28-33.

Dettmer K, Hammock BD. Metabolomics – a new exciting field within the “omics” sciences. Environ Health Persp, 2004; 112: 396-7.

Wishart DS, Tzur D, Knox C, Eisner R, Guo AC, Young N, et al. HMDB: the human metabolome database. Nucleic Acids Res, 2007; 35; 521-6. Wishart DS. Human metabolome database: Completing the ‘human parts list’. Pharmacogenomics, 2007; 8: 683-6.

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir