Mikrobiom (micro — «kichik», bios — «hayot») — ma’lum bir yashash muhitida yashovchi mikroorganizmlar hamjamiyati yoki shu hamjamiyatga kiruvchi mikroorganizmlar genlarining yig‘indisi. Atama ko‘pincha mikrobiota yoki mikroflora so‘zlarining sinonimi sifatida ishlatiladi; u ilk bor 1952-yildagi, kanalizatsiya oqovalari bilan suvning ifloslanishiga bag‘ishlangan maqolada qo‘llangan. Alohida organizmlarning to‘qima va a’zolaridan tortib, butun boshli yashash muhitlarigacha bo‘lgan barcha ekotizimlar o‘zining mikrob hamjamiyatiga (mikrobiomga) ega. Mikrobiom eng muhim ekotizim jarayonlarida ishtirok etadi: bir tomondan xo‘jayinning (host) mahalliy miqyosdagi metabolizmiga hissa qo‘shadi, ikkinchi tomondan esa global miqyosda ozuqa moddalarning biogeokimyoviy aylanishini ta’minlashda qatnashadi.
Genetik jihatdan eng xilma-xil mikrobiomlar — tuproq mikrobiomlari bo‘lib, ular yer usti va yer osti biomlari, suv ekotizimlari hamda Yer atmosferasi o‘rtasidagi o‘zaro ta’sirga ta’sir ko‘rsatadi. Okean mikrobiomi esa sayyora iqlimiga ta’sir qiladi, azot va boshqa ozuqa moddalarning aylanishida ishtirok etadi.
Yashash muhitlari mikrobiomlari
Tuproq mikrobiomlari
Tuproq mikrobiomlari — Yer yuzidagi genetik jihatdan eng xilma-xil ekotizimlar bo‘lib, bakteriyalar, arxeylar va eukariotlarning murakkab majmualarini o‘z ichiga oladi. Tuproqning har bir grammida taxminan 108—1010 ta mikroorganizmlar hujayrasi bo‘ladi; bu ko‘rsatkich Jahon okeanida 1 millilitrga to‘g‘ri keladigan miqdordan (104—107 hujayra) bir necha baravar yuqori. Tuproq mikroorganizmlari biosferaning geokimyoviy tarkibini saqlashda nihoyatda muhim rol o‘ynaydi. Ular biogen elementlar (azot, uglerod, fosfor va boshqalar) aylanishi uchun mas’ul: ularni o‘simliklar o‘zlashtira oladigan shaklga o‘tkazadi, tuproq tuzilmasini qo‘llab-quvvatlaydi.
Mikroorganizmlar atmosferadagi azot va uglerodni fiksatsiya qiladi, organik moddalarni hosil qiladi hamda yosh tuproqda azot aylanishi jarayonlarini boshlash uchun yetarli miqdorda azot va boshqa oziqa moddalarini immobilizatsiya (bog‘lab qo‘yish) qiladi. Tuproq — mikroorganizmlar turlarining “ombori” bo‘lib, ular o‘simliklar o‘sishini bevosita qo‘llab-quvvatlashi (foydali simbiontlar) yoki aksincha, to‘sqinlik qilishi (patogenlar) mumkin; shuningdek, oziqa moddalari va toksinlarning biodostupnosti (bioavailability)ni o‘zgartiradi. Tuproq mikrobiomi yer usti va yer osti biomlari, suv ekotizimlari hamda Yer atmosferasi o‘rtasidagi aloqalarga ta’sir qiladi, geologik zaxiralar bilan biosfera o‘rtasidagi almashinuvni ta’minlaydi.
Tuproq mikrobiomining eng muhim vakillari, ya’ni tuproq mikrob hamjamiyatini shakllantirishga eng katta hissa qo‘shadigan guruhlarga quyidagilar kiradi: Pseudomonas jinsiga mansub bakteriyalar (turli antibiotiklar, litik fermentlar, o‘simlik gormonlari, etilen, auksinlar va gibberellinlarni ishlab chiqaradi), Azotobacter, Clostridium, Rhizobium va Bradyrhizobium (atmosferadagi azotni o‘zlashtiradi), shuningdek aktinomitsetlar (Streptomyces) hamda zamburug‘lar — Mycorrhizae (mikoriza zamburug‘lari).
Suv mikrobiomlari
Okeanlar va dengizlar
Okean mikrobiomi — juda kuchli “suyultirilgan” mikrob tizimi bo‘lib, Yer yuzasining katta qismini qoplaydi. Uning chegaralari Arktika va Antarktikaning qutbiy hududlaridan tortib, dengiz tubidagi qaynoq gidrotermal manbalar va ohaktoshli loyqalargacha cho‘ziladi. Umuman olganda, okean mikrobiomi dengiz suvining hajmida taxminan ~0,0001% ulushni egallaydi. Okean mikrobiomi sayyoramiz iqlimiga ta’sir ko‘rsatadi, azot va boshqa oziqa moddalarning aylanishida qatnashadi.
Okean mikrobiotasining eng muhim xususiyatlaridan biri — unda birlamchi produsentlar (primary producers) mavjudligidir. Boshqa mikrobiomlardan farqli ravishda, okean mikrobiomida yorug‘lik energiyasini o‘zgartira oladigan organizmlar bor, bu esa Yer ekotizimi bo‘ylab energiya aylanishiga sezilarli hissa qo‘shadi. Jahon okeanida mikroorganizmlar miqdori chuqurlikka qarab 1 millilitrda 104 dan 107 hujayragacha o‘zgaradi, ko‘llarda esa o‘rtacha 1 millilitrda 106 hujayra bo‘ladi.
Okean mikrobiomining eng keng tarqalgan vakillari: Vibrio, Pelagibacter ubique, Prochlorococcus, Cyanobacteria (sianobakteriyalar) bakteriyalari; shuningdek arxeylardan Halobacteria, Haloquadratum walsbyi, Pyrolobus fumarii (inglizcha: Pyrolobus fumarii).
Daryolar
Daryo ekotizimining ajralib turadigan belgisi — oqimlar sababli doimiy o‘zgaruvchanlikdir. Shu bois daryo oqimi bo‘ylab mikrobiom xilma-xilligi o‘zgarib boradi: suv massalari harakati sust joylarda bu o‘zgarishlar asta-sekin bo‘lishi mumkin, boshqa ekotizimlar bilan tutashuv nuqtalarida esa keskin o‘zgarishlar kuzatiladi. Organik moddalarning parchalanishi, issiqxona gazlarining hosil bo‘lishi, evtrofikatsiya, metall ifloslantiruvchilarni o‘zlashtirish, ksenobiotik birikmalarning parchalanishi — bular daryo mikrobiomi amalga oshiradigan jarayonlarning faqat bir qismidir.
Amaliy jihatdan ayniqsa muhim tomoni shundaki, ifloslangan daryolar mikrobiomi vakillarida turli toksinlar va ksenobiotiklarni parchalashga qodir genlar aniqlangan. Daryolar ichimlik suvi manbai bo‘lgani uchun, bunday o‘zgarishlar inson va hayvonlarga ham ta’sir ko‘rsatishi mumkin.
Daryo mikrobiomlarining eng ko‘p uchraydigan vakillari: Actinobacteria, Betaproteobacteria (inglizcha: Betaproteobacteria), Flavobacteriia (inglizcha: Flavobacteriia).
Tirik organizmlar mikrobiomlari
O‘simliklar mikrobiomlari
Mikroorganizmlar o‘simlik bilan o‘zaro munosabat turiga ko‘ra farqlanadi: masalan, patogenlar, endofitlar va simbiontlar uchraydi. O‘simliklarning azot, fosfor va temirga bo‘lgan ehtiyoji tuproqda, uning yuzasida va tuproqqa bevosita yaqin hududlarda mikroorganizmlar faolligi hisobiga qondiriladi.
O‘z navbatida, o‘simlik mikrobiomi vakillari uchun uglerod manbai faqat o‘simlik ildizidan ajraladigan eksudatlar (masalan, Myxococcus jinsi) bo‘lishi ham mumkin, yoki tuproqning organik moddasi (masalan, Sphingomonadales tartibi (inglizcha: Sphingomonadales)) ham xizmat qilishi mumkin.
Dukkakli o‘simliklar va simbiotik azot fiksatsiya qiluvchi bakteriyalar o‘rtasida metabolitlar almashinuvi sxemasi
Tuproq mikroorganizmlari o‘simlik ildizlarini koloniyalaydi. O‘simlikning yer usti qismlaridagi kommensal, simbiotik yoki patogen bakteriyalar va zamburug‘larning bir qismi ham ildiz va tuproqdan kelib chiqadi. Rizosferadagi mikrob hamjamiyatining shakllanishiga o‘simlik-xo‘jayin genotipi, tuproq turi va yetishtirish usullari ta’sir qiladi; ular fenologiyani va gullash vaqtini o‘zgartirishi, o‘simlik novdalari (poyalar)ning quruq modda hosil qilishiga ta’sir ko‘rsatishi hamda kasalliklarga nisbatan tizimli chidamlilikni yuzaga keltirishi mumkin. Shuningdek, mikrobiomlar smolalar, mevalar, asal va efir moylari sifatiga ham ta’sir ko‘rsatishi ehtimoli bor.
Hayvonlar mikrobiomlari
Deyarli barcha tirik organizmlar — gubkalardan tortib insongacha — mikrobiomga ega. Hayvon organizmidagi rezident mikrob hamjamiyatlarining mavjudligi va tarkibi uning fiziologik holatiga bevosita ta’sir qiladi. Mikrob hamjamiyatlari eng ko‘p hollarda hayvonlarning ovqat hazm qilish tizimi va tana tashqi yuzasini koloniyalaydi, shuningdek reproduktiv a’zolar va insonning og‘iz bo‘shlig‘ida ham uchraydi.
Bundan tashqari, mikroorganizmlarni insonning qon aylanish tizimida ham, hatto hasharotlarning gemolimfasida ham topish mumkin. Ba’zi hayvonlarda ma’lum mikroorganizmlar guruhlari yashaydigan ixtisoslashgan a’zolar mavjud. Hayvonlar bilan muayyan turlar o‘rtasidagi assotsiatsiyalar tasodifiy emas: xo‘jayin organizmida foydali mikroorganizmlarni oziqa bilan ta’minlash, ularga mos yashash muhiti yaratish va boshqa vakillardan himoya qilish uchun murakkab moslanishlar shakllanadi.
Mikrobiom hazm jarayonlarida ishtirok etishi yaxshi ma’lum: u xo‘jayinning o‘z ferment tizimlari parchalay olmaydigan birikmalarni parchalab, hayvonlar uchun oziqa bazasini kengaytiradi. Mikroorganizmlar toksinlarni neytrallashi, xo‘jayin metabolizmi uchun zarur bo‘lgan turli molekulalarni (vitaminlar va boshqalar) sintez qilishi mumkin. Tana yuzasida yashovchi mikroblar xo‘jayinni patogenlardan himoya qiladi. Ehtimol, mikroorganizmlar faqat fiziologik holatga emas, balki signal molekulalarini sintez qilish orqali hayvon xulq-atvoriga ham ta’sir ko‘rsatishi mumkin.
Mikrobiomni o‘rganish usullari
Amplikonlarni maqsadli sekvenirlash
O‘rganilayotgan namunadagi taksonomik xilma-xillikni aniqlash uchun barcha tirik organizmlarda mavjud bo‘lgan 16S ribosomal RNK (16S rRNK) genini sekvenirlash qo‘llanadi. Biroq 16S rRNKni xilma-xillik indikatori sifatida ishlatish ko‘pincha turlarni ajratishga yetarli bo‘lmaydi, chunki ayrim turlarda bu genda farqlar bo‘lmasligi mumkin.
Mikrob hamjamiyati ko‘pincha barqaror tur tarkibi bilan tavsiflansa-da, takroriy namuna olishda bu barqarorlik har doim ham saqlanmaydi (hamjamiyat butun uzunligi bo‘ylab bir jinsli emas, uning tarkibi vaqt o‘tishi bilan ham tebranib turishi mumkin).
Amplikonlar sekvenirlab bo‘lingach, mikrob hamjamiyati tarkibini aniqlashda molekulyar filogeniya usullari qo‘llanadi: amplikonlar operatsion taksonomik birliklar — OTU (operational taxonomic units, OTU) ga klasterlanadi va DNK ketma-ketliklari o‘rtasidagi filogenetik bog‘lanishlar tiklanadi.
Metagenomik sekvenirlash
Marker gen (16S rRNK) tadqiqotlariga alternativa — metagenomik tahlil bo‘lib, u “shotgun” usuli (shotgun sequencing) yordamida sekvenirlash orqali bajariladi. Natijada olingan ketma-ketliklar to‘plami tanlab olingan mikroorganizmlarning faqat bitta marker genini emas, balki butun genomini qamrab olishi mumkin.
Bunday yondashuv o‘rganilayotgan namunadagi funksional komplementarlikni aniqlab, hamjamiyat a’zolari o‘rtasidagi ehtimoliy o‘zaro ta’sirlarni taklif qilish imkonini beradi. Ammo metagenom ketma-ketliklarni yig‘ish (assembly), ularga funksiya va taksonomiya biriktirish murakkab vazifa bo‘lib, ko‘pincha ishonchliligi past bo‘lgan ko‘plab bashoratlarni keltirib chiqaradi. Shuningdek, aniq bir ketma-ketlik qaysi organizmga tegishli ekanini aniqlashda ham noaniqliklar bo‘ladi, chunki har doim ham organizmning to‘liq genomi mavjud bo‘lavermaydi.
Metaproteomika va metatranskriptomika
Genomlarni o‘rganish bilan bir qatorda, hamjamiyat tarkibidagi mikroorganizmlarning transkriptomlari va proteomlari ham alohida qiziqish uyg‘otadi. Turli bakteriya turlari vakillarini o‘z ichiga olgan namuna tarkibidagi RNK molekulalari va oqsil molekulalarini kompleks o‘rganish mos ravishda metatranskriptomika va metaproteomika deb ataladi.
Bu yondashuvlar yuqorida bayon qilingan usullardan farqli ravishda, hamjamiyatning faqat genetik salohiyatini baholash bilan cheklanmaydi: ular faol genlar, sintez qilinayotgan oqsillar va metabolitlar haqida tasavvur beradi.
Metatranskriptomik tadqiqotlar uchun odatda butun hamjamiyatdan ajratib olingan RNK pirosevenirlash (pyrosequencing) orqali tahlil qilinadi. Metaproteomika uchun esa hamjamiyat hujayralaridan oqsillar ajratib olinadi va keyin ular mass-spektrometriya usuli bilan tahlil qilinadi.
Mikrobiom ichidagi o‘zaro ta’sirlarni aniqlash
Mikrob o‘zaro ta’sirlarining sabablari va oqibatlarini aniqlash uchun uch bosqichli yondashuv mavjud. U mikrob hamjamiyatlarining tur tarkibida “naqshlar” (pattern)ni izlash, butun hamjamiyat faoliyatida alohida turlarning rolini o‘rganish va shu rolni belgilovchi aniq mexanizmlarni topishga asoslanadi.
Hamjamiyat tarkibida turlarning birga uchrashini (co-occurrence) aniqlash va buni ichki o‘zaro ta’sirlar bilan izohlash uchun in situ metagenomik tadqiqotlar qo‘llanadi. Turlararo o‘zaro ta’sirlarni o‘rganishda esa eksperimental mikrob hamjamiyatlari ishlatiladi: juft-juft skrininglarda yoki hamjamiyatdan bitta turni olib tashlab, hamjamiyat fenotipi qanday o‘zgarishi kuzatiladi va uning roli aniqlanadi.
Mikrob o‘zaro ta’sirlarining genetik va molekulyar asosini aniqlash uchun transkriptom, metabolom va skrininglar, shuningdek genetik modifikatsiya qilingan mikroorganizmlar bo‘yicha tadqiqotlar qo‘llanadi.
Ushbu sxema mikrobiomdagi turlar o‘rtasidagi o‘zaro ta’sirlarni o‘rganish usullarini ko‘rsatadi.
Mikrobiom ichidagi o‘zaro ta’sirlarning mikroorganizmlar evolyutsiyasiga ta’siri
Evolyutsion tadqiqotlar shuni ko‘rsatadiki, mikroorganizmlarning ayrim xususiyatlari — jumladan metabolizm, stressga chidamlilik va virulentlik — avlodlar ketma-ket almashishi davomida populyatsiya ichida tez evolyutsiyalanishi mumkin.
Mikroorganizmlar o‘rtasidagi o‘zaro ta’sirlar populyatsiya hajmini kamaytirish va tanlanish (selektsiya) uchun potensial genetik o‘zgaruvchanlikni qisqartirish orqali muayyan turning fenotipik va genetik evolyutsiyasini tormozlashi mumkin; yoki aksincha, o‘zaro ta’sir natijasida evolyutsiyalanayotgan tur ekologik nishasining almashishi yuz bersa, adaptatsiyani kuchaytirishi mumkin. Pseudomonas jinsining bir nechta vakillari bo‘yicha tadqiqotlar shuni ko‘rsatdiki, boshqa turlar bilan raqobat ularning evolyutsiyasini ham tormozlashi, ham rag‘batlantirishi mumkin.
Yana bir misol: mikrobiomda mikroorganizmlarning funksional ixtisoslashuvi paydo bo‘lishi; bu ko‘pincha endosimbioz natijasi bo‘ladi. Masalan, sitrus unshudringi (mealybug) Planococcus citri hujayralari ichida yashovchi Candidatus “Moranella endobia” va Candidatus “Tremblaya princeps” bakteriyalari o‘rtasidagi assotsiatsiya fenilalanin, arginin va izoleysin sintezi yo‘llarining oraliq bosqichlarini ular o‘rtasida “bo‘lib olish”ga olib kelgan.
Ekologik “ustma-ust tushish” (overlap) yoki ekvivalentlik bir xil yoki o‘xshash yashash joylaridan olingan namunalar o‘rtasida tez-tez kuzatiladigan taksonomik farqlar asosida yotishi mumkin. Buning eng ishontiruvchi misollaridan biri — insonning ko‘plab a’zolarida doimiy “asosiy” mikrobiomning yo‘qligidir. Masalan, S.M. Huse va hammualliflar (2012) “Inson mikrobiomi” xalqaro loyihasi doirasidagi tadqiqotda mikrobiotani aniq kategoriyalash amalda imkonsizligini va enterotiplar (enterotypes) mavjudligi haqida emas, balki mikrob hamjamiyatlarining uzluksiz gradienti mavjudligi haqida gapirish to‘g‘riroq ekanini ko‘rsatgan.
“Inson mikrobiomi” loyihasi 2007-yilda boshlangan bo‘lib, bu yo‘nalishdagi tadqiqotlar AQShning Milliy sog‘liqni saqlash institutlari tomonidan 2016-yilgacha olib borilgan. Uning maqsadi insonning turli a’zolaridagi mikroflora xilma-xilligini imkon qadar to‘liq tasvirlab berish edi.
“Insonning asosiy ichak mikrobiomi”ni aniqlash imkonsiz bo‘lsa-da, yanada aniqroq ta’rif bilan “hayvon kelib chiqishidagi oqsil va yog‘lar yuqori bo‘lgan, sog‘lom yo‘g‘on ichak”ning asosiy mikrobiomini tavsiflash mumkin. Vorisiylik (ketma-ketlik) ham rol o‘ynashi mumkin: masalan, tish karashi (plaque)ni belgilashda bir xil joyni buzilishdan so‘ng paydo bo‘ladigan “erta” yoki “kech” hamjamiyatlar egallashi mumkin.
Shuningdek, tuproq, ko‘l suvi va sho‘r cho‘kindilar mikrobiomlarida operatsion taksonomik birliklar (operational taxonomic units) taqsimotini o‘rganishda, ketma-ketliklar o‘xshashligi chegarasini 89% gacha tushirganda ham ular o‘rtasida “qoplanish” (overlap) yo‘qligi aniqlangan.
Mikrobiomni modifikatsiya qilish
So‘nggi yillarda mikrobiomni o‘rganish xo‘jayin va mikrobiom o‘rtasidagi bog‘liqliklarni izlashdan tez sur’atda rivojlanib, uning kasalliklar rivojlanishidagi rolini tushunish bosqichiga o‘tdi. Insonning tabiiy mikrob florasini boshqarish kommensal floraning samaradorligini oshirish va u bilan bog‘liq kasalliklar xavfini kamaytirish uchun noyob imkoniyat ochdi.
Mikroblarga yo‘naltirilgan terapevtik strategiyalar paydo bo‘ldi: ular kerakli mikrob hamjamiyatining istalgan funksiyasini ta’minlaydi yoki qayta yaratadi, yoxud muayyan nomaqbul yoki patogen elementni bostiradi yoki yo‘q qiladi. Masalan, bakterioterapiya (bacteriotherapy) Clostridium difficile infeksiyalarida muvaffaqiyatli qo‘llangan: sog‘lom donorlarning najas mikrobiomini ko‘chirib o‘tkazish (fekal mikrobiom transplantatsiyasi) bemorda normal mikrobiotaning tiklanishiga olib kelgan. Boshqa holatlarda esa tizimli biologiya usullari yordamida ayrim mikroorganizmlar va ularning ayrim konsortsiumlari aniqlangan; ular ko‘p jihatdan najas mikrobiomi transplantatsiyasi ta’sirini takrorlashi mumkin.
Mikrobiomni in situ modifikatsiya qilishning eksperimental usullari ham mavjud. Bunda CRISPR/Cas9 tizimlaridan foydalaniladi: ular patogenlar genomining antibiotiklarga chidamlilikka mas’ul bo‘lgan muayyan uchastkalarini tanib, ularni degradatsiyaga uchratishi mumkin. Bu tizimlarni bakteriya hujayralariga yetkazib berish uchun bakteriofaglar qo‘llanadi. CRISPR/Cas9 nukleazalari qurilmasining yuqori spetsifikligi tufayli faqat potensial xavfli bakteriyalarning muayyan shtammlarini nishonga oladi. Shu sababli, u normal mikrofloraga nisbatan xavfsiz bo‘lib, disbakterioz rivojlanishining oldini olishi mumkin.
Loyihalar
Yuqorida tilga olingan “Inson mikrobiomi” loyihasidan tashqari, 2010-yilda yaratilgan “Yer mikrobiomi” loyihasi ham mavjud. Bu tashabbus butun dunyo bo‘ylab tabiiy namunalarni yig‘ish va mikrob hamjamiyatini tahlil qilishga qaratilgan. Mikroorganizmlar juda keng tarqalgan, xilma-xil va ekologik tizimda muhim rol o‘ynaydi.
Shunga qaramay, 2010-yil holatiga ko‘ra, atrof-muhitda litrlab dengiz suvida yoki bir gramm tuproqda topiladigan umumiy DNKning 1% dan kam qismi sekvenirlab olingani hisoblab chiqilgan. Mikroorganizmlar o‘rtasidagi aniq o‘zaro ta’sirlar esa hanuz noma’lumligicha qolmoqda.
“Yer mikrobiomi” loyihasining maqsadi — turli biomlarda 200 000 tagacha namuna ustida ishlov berish, Yer yuzidagi mikroorganizmlarning to‘liq ma’lumotlar bazasini yaratish va shu orqali atrof-muhit hamda ekotizimlarni mikrob tarkibi va o‘zaro ta’siri asosida tavsiflashdir. Bu ma’lumotlardan foydalanib, yangi ekologik va evolyutsion nazariyalarni taklif qilish hamda sinovdan o‘tkazish mumkin.
