Mikrobiom (micro — «kichik», bios — «hayot») — muayyan yashash muhitida istiqomat qiluvchi mikroorganizmlar hamjamiyati yoki shu hamjamiyat mikroorganizmlarining genlari majmui. Bu atama ko‘pincha «mikrobiota» yoki «mikroflora» tushunchalarining sinonimi sifatida ishlatiladi. U ilk bor 1952-yilda kanalizatsiya oqova suvlari tufayli suvning ifloslanishiga bag‘ishlangan maqolada qo‘llangan. Alohida organizmlarning to‘qima va a’zolaridan tortib butun boshli ekotizimlar va yashash muhitlarigacha bo‘lgan barcha tizimlarda o‘ziga xos mikrob hamjamiyati (mikrobiom) mavjud. Mikrobiom muhim ekotizim jarayonlarida qatnashib, mahalliy miqyosda mezbon organizmning metabolizmiga, global miqyosda esa oziq moddalarning biogeokimyoviy aylanishiga hissa qo‘shadi.
Genetik jihatdan eng xilma-xil mikrobiomlar tuproqda uchraydi. Ular yer usti va yer osti biomlari, suv ekotizimlari hamda Yer atmosferasi o‘rtasidagi o‘zaro ta’sirlarga ta’sir ko‘rsatadi. Okean mikrobiomi sayyoramiz iqlimiga ta’sir qiladi, azot va boshqa oziq moddalarning aylanishida ishtirok etadi.
Yashash muhitlarining mikrobiomlari
Tuproq mikrobiomlari
Tuproq mikrobiomlari genetik jihatdan eng xilma-xil ekotizimlar bo‘lib, ularga bakteriyalar, arxeylar va eukariotlarning murakkab majmualari kiradi. Bir gramm tuproqda taxminan 108—1010 ta mikroorganizm hujayrasi bo‘ladi. Bu bir millilitrda (104—107 ta hujayra) mavjud bo‘lgan Jahon okeanidagi ko‘rsatkichdan bir necha baravar ko‘pdir. Tuproq mikroorganizmlari geokimyoviy tarkibni va biosferani saqlashda muhim rol o‘ynaydi. Ular biogen elementlar (azot, uglerod va fosfor hamda boshqalar) aylanishini, ularni o‘simliklar o‘zlashtira oladigan shaklga aylantirishni va tuproq tuzilishini saqlashni ta’minlaydi. Mikroorganizmlar atmosfera azoti va uglerodini fiksatsiya qiladi, organik moddalar hosil qiladi va yosh tuproqda azot aylanishini boshlash uchun yetarli miqdordagi azot hamda boshqa oziq moddalarni immobilizatsiya qiladi. Tuproq o‘simliklarning o‘sishini bevosita qo‘llab-quvvatlaydigan (foydali simbiontlar) yoki unga to‘sqinlik qiladigan (patogenlar) mikroorganizm turlarining tabiiy zaxirasidir. Bu mikroorganizmlar biologik o‘zlashtirilish darajasini (oziq moddalar va toksinlar uchun) ham o‘zgartiradi. Tuproq mikrobiomi yer usti va yer osti biomlari, suv ekotizimlari va Yer atmosferasi o‘rtasidagi o‘zaro ta’sirlarga ta’sir ko‘rsatadi. Bundan tashqari, u quyidagilar o‘rtasidagi almashinuvni ta’minlaydi: geologik zaxiralar bilan biosfera.
Tuproq mikrobiomining shakllanishiga eng katta hissa qo‘shadigan vakillar orasida Pseudomonas turkumidagi bakteriyalar (ular turli antibiotiklar, hujayralarni parchalovchi fermentlar, o‘simlik gormonlari, etilen, auksinlar va gibberellinlar ishlab chiqaradi), Azotobacter, Clostridium, Rhizobium va Bradyrhizobium (atmosfera azotini o‘zlashtiradi), shuningdek, aktinomitsetlar (Streptomyces) va zamburug‘lar — Mycorrhizae.
Suv mikrobiomlari
Okeanlar va dengizlar
Okean mikrobiomi Yer yuzasining katta qismini qamrab oladigan, mikroorganizmlari juda siyrak tarqalgan tizimdir. Uning chegaralari Arktika va Antarktikaning qutbiy hududlaridan tortib dengiz tubidagi qaynab turgan gidrotermal buloqlar va ohaktoshli balchiqlargacha cho‘ziladi. Umumiy hisobda okean mikrobiomi dengiz suvi hajmining taxminan 0,0001 % ini tashkil etadi. Okean mikrobiomi sayyoramiz iqlimiga ta’sir qiladi, azot va boshqa oziq moddalar aylanishida qatnashadi. Okean mikrobiotasining muhim xususiyatlaridan biri unda birlamchi produsentlar mavjudligidir. Boshqa mikrobiomlardan farqli ravishda, okean mikrobiomida yorug‘lik energiyasini o‘zgartira oladigan organizmlar mavjud. Bu Yer ekotizimida energiya aylanishiga sezilarli hissa qo‘shadi. Jahon okeanida mikroorganizmlarning taxminiy miqdori chuqurlikka qarab bir millilitrda 104 tadan 107 tagacha, ko‘llarda esa o‘rtacha bir millilitrda 106 ta hujayrani tashkil etadi.
Okean mikrobiomida eng keng tarqalgan vakillar — Vibrio, Pelagibacter ubique, Prochlorococcus, Cyanobacteria bakteriyalari; shuningdek, Halobacteria, Haloquadratum walsbyi, Pyrolobus fumarii[ingl.].
Daryolar
Daryo ekotizimining o‘ziga xos xususiyati oqimlar tufayli o‘zgaruvchanligidir. Shu sababli daryo oqimi bo‘ylab mikrobiom xilma-xilligi o‘zgaradi: suv massalari sust harakatlanadigan joylarda bu asta-sekin, boshqa ekotizimlar bilan tutashgan joylarda esa keskin yuz berishi mumkin. Organik moddalarning parchalanishi, issiqxona gazlari hosil bo‘lishi, evtrofikatsiya, metall ifloslantiruvchilarning o‘zlashtirilishi, ksenobiotik birikmalarning parchalanishi — daryo mikrobiomi amalga oshiradigan jarayonlarning kichik bir qismi, xolos. Ifloslangan daryolar mikrobiomi a’zolarida turli toksinlar va ksenobiotiklarni parchalashga qodir genlar aniqlangani amaliy jihatdan ayniqsa muhimdir. Daryolar ichimlik suvi manbai bo‘lgani uchun bu o‘zgarishlar insonlar va hayvonlarga ta’sir qilishi mumkin.
Daryo mikrobiomlarining eng ko‘p tarqalgan vakillari — Actinobacteria, Betaproteobacteria[ingl.], Flavobacteriia[ingl.].
Tirik organizmlar mikrobiomlari
O‘simlik mikrobiomlari
Mikroorganizmlar o‘simlik bilan o‘zaro munosabatiga ko‘ra farqlanadi; masalan, ular orasida patogenlar, endofitlar va simbiontlar uchraydi. O‘simliklarning azot, fosfor hamda temirga ehtiyoji tuproq ichida, uning yuzasida va yaqin atrofida yashovchi mikroorganizmlarning faoliyati hisobiga qondiriladi. O‘z navbatida, o‘simlik mikrobiomi vakillari uchun uglerod manbai faqat o‘simlik ildizi ajratmalari (masalan, Myxococcus turkumi) yoki tuproqdagi organik moddalar (masalan, Sphingomonadales[ingl.] turkumi) bo‘lishi mumkin. Tuproq mikroorganizmlari o‘simlik ildizlarini kolonizatsiya qiladi. Kommensal, simbiont yoki patogen bakteriyalar va o‘simlikning yer ustki qismlarida yashaydigan zamburug‘lar ham qisman ildiz va tuproqdan kelib chiqadi. Rizosferadagi mikrob hamjamiyatining shakllanishiga mezbon o‘simlikning genotipi, tuproq turi va yetishtirish usullari ta’sir qiladi. Ular o‘simlikning fenologiyasi va gullash vaqtini o‘zgartiradi, novdalarning quruq modda hosil qilishiga ta’sir etadi va kasalliklarga tizimli chidamlilikni yuzaga keltiradi. Shuningdek, mikrobiomlar quyidagi mahsulotlarning sifatiga ta’sir qilishi mumkin: smolalar, mevalar, asal va efir moylari.
Hayvonlar mikrobiomlari
Deyarli barcha tirik organizmlarda, gubkalardan tortib insongacha, mikrobiom mavjud. Hayvon organizmidagi doimiy mikrob hamjamiyatlarining mavjudligi va tarkibi uning fiziologik holatiga bevosita ta’sir qiladi. Mikrob hamjamiyatlari odatda hayvonlarning ovqat hazm qilish tizimi va tana tashqi yuzasini, shuningdek, insonlarning ko‘payish a’zolari hamda og‘iz bo‘shlig‘ini kolonizatsiya qiladi. Bundan tashqari, mikroorganizmlarni inson qon aylanish tizimida, hatto hasharotlarning gemolimfasida ham uchratish mumkin. Ayrim hayvonlarda muayyan mikroorganizmlar guruhlari yashaydigan ixtisoslashgan a’zolar mavjud. Hayvonlar bilan muayyan mikroorganizm turlari o‘rtasidagi bog‘lanishlar tasodifiy emas. Mezbon organizmda foydali mikroorganizmlarni oziqa, qulay yashash muhiti va boshqa vakillardan himoya bilan ta’minlaydigan murakkab moslashuvlar yuzaga keladi.
Mikrobiom ovqat hazm qilish jarayonida ishtirok etib, mezbon organizmning o‘z fermentlari parchalay olmaydigan birikmalarni parchalashi yaxshi ma’lum. Bu hayvonlar uchun oziqa manbalari doirasini kengaytiradi. Mikroorganizmlar toksinlarni zararsizlantirishi, mezbon metabolizmi uchun zarur turli molekulalarni (vitaminlar va boshqalarni) sintez qilishi mumkin. Tana yuzasida yashovchi mikroblar mezbonni patogenlardan himoya qiladi. Ehtimol, mikroorganizmlar hayvonning nafaqat fiziologik holatiga, balki xulq-atvoriga ham signal molekulalarini sintez qilish orqali ta’sir qiladi.
Mikrobiomni o‘rganish usullari
Amplikonlarni maqsadli sekvensiyalash
O‘rganilayotgan namunadagi taksonomik xilma-xillikni aniqlash uchun sekvensiyalash usulida 16S ribosomal RNK (16S rRNK) geni o‘rganiladi. U barcha tirik organizmlarda mavjud. Biroq 16S rRNK xilma-xillik ko‘rsatkichi sifatida ishlatilganda, ushbu gendagi farqlar yetishmagani tufayli ba’zan turlarni bir-biridan ajratib bo‘lmaydi. Mikrob hamjamiyati ko‘pincha barqaror tur tarkibi bilan tavsiflanadi. Ammo namuna qayta-qayta olinganda bu barqarorlik har doim ham kuzatilmaydi: mikrob hamjamiyati hamma joyda bir xil emas, uning tarkibi vaqt o‘tishi bilan ham o‘zgarishi mumkin.
Amplikonlar sekvensiyalangach, mikrob hamjamiyatining tarkibini aniqlash uchun molekulyar filogeniya usullari qo‘llanadi. Buning uchun amplikonlar klasterlash orqali operatsion taksonomik birliklarga (OTU[ingl.]) guruhlanadi va filogenetik aloqalar DNK ketma-ketliklari o‘rtasida aniqlanadi.
Metagenomni sekvensiyalash
Marker genlarni (16S rRNK) o‘rganishga muqobil yondashuv metagenomik tahlil bo‘lib, u shotgun (tasodifiy fragmentlar) usulida sekvensiyalashga asoslanadi. Olingan ketma-ketliklar to‘plami tanlab olingan mikroorganizmlarning faqat bir marker genini emas, balki butun genomini ham qamrab olishi mumkin. Bu yondashuv namuna ichidagi funksional o‘zaro to‘ldirishni aniqlash va shu asosda uning a’zolari o‘rtasidagi o‘zaro ta’sirlarni taxmin qilish imkonini beradi. Biroq metagenomik ketma-ketliklarni yig‘ish, ularga funksional va taksonomik mansublik belgilash murakkab vazifadir; bunda ko‘pincha ishonchliligi past ko‘plab taxminlar paydo bo‘ladi. Muayyan ketma-ketlik qaysi organizmga tegishli ekanini aniqlash ham har doim oson emas, chunki organizmning to‘liq genomi ko‘p hollarda mavjud bo‘lmaydi.
Metaproteomika va metatranskriptomika
Genomlarni o‘rganishdan tashqari, hamjamiyat tarkibidagi mikroorganizmlarning transkriptomlari va proteomlari ham alohida qiziqish uyg‘otadi. Turli bakteriya turlariga mansub vakillarni o‘z ichiga olgan namunadagi oqsil molekulalari va RNK molekulalarini kompleks o‘rganish mos ravishda metaproteomika va metatranskriptomika deb ataladi. Yuqoridagi yondashuvlardan farqli ravishda, bu usullar hamjamiyatning genetik salohiyatini baholash bilan cheklanmay, faol genlar, sintez qilinayotgan oqsil molekulalari va metabolitlar haqida ham ma’lumot beradi..
Metatranskriptomik tadqiqotlarda odatda pirosekvensiyalash butun hamjamiyatdan ajratib olingan RNKga qo‘llanadi. Metaproteomika ma’lumotlarini olish uchun hamjamiyat hujayralaridan oqsillar ajratib olinib, ular keyin mass-spektrometriya usulida tahlil qilinadi.
Mikrobiom ichidagi o‘zaro ta’sirlarni aniqlash
Mikroorganizmlar o‘rtasidagi o‘zaro ta’sirlarning sabablari va oqibatlarini aniqlash uchun uch bosqichli yondashuv mavjud. U mikrob hamjamiyatlarining tur tarkibidagi qonuniyatlarni izlash, ayrim turlarning butun hamjamiyat faoliyatidagi rolini o‘rganish hamda bu rolni belgilovchi aniq mexanizmlarni aniqlashga asoslanadi.
Hamjamiyatda turlarning birgalikda uchrashi va buni o‘zaro ta’sirlar bilan izohlash imkoniyatini aniqlash uchun in situ sharoitida metagenomik tadqiqotlar o‘tkaziladi. Hamjamiyat ichidagi turlararo o‘zaro ta’sirlarni o‘rganishda tajribaviy mikrob hamjamiyatlaridan foydalaniladi: juftliklarni skrining qilishda yoki muayyan turni hamjamiyatdan chiqarib tashlaganda hamjamiyat fenotipi qanday o‘zgarishi o‘rganilib, shu turning roli aniqlanadi. Bunday mikrob o‘zaro ta’sirlari asosidagi genetik va molekulyar mexanizmlarni aniqlash uchun transkriptomik, metabolomik skrininglar o‘tkaziladi, shuningdek, genetik modifikatsiyalangan mikroorganizmlar.
Mikrobiom ichidagi o‘zaro ta’sirlarning mikroorganizmlar evolyutsiyasiga ta’siri
Evolyutsion tadqiqotlar mikroorganizmlarning ayrim xususiyatlari, jumladan, metabolizm, stressga chidamlilik va virulentlik avlodlar ketma-ket almashgani sari populyatsiya ichida tez evolyutsiyalanishi mumkinligini ko‘rsatgan. Mikroorganizmlar o‘rtasidagi o‘zaro ta’sirlar populyatsiya sonini kamaytirib va tabiiy tanlanish uchun mumkin bo‘lgan genetik o‘zgaruvchanlikni qisqartirib, muayyan turning fenotipik hamda genetik evolyutsiyasini sekinlashtirishi mumkin. Aksincha, ular moslashuvga ham yordam berishi mumkin, masalan, o‘zaro ta’sir natijasida evolyutsiyalanayotgan turning ekologik nishasi o‘zgarsa. Pseudomonas turkumining bir necha vakili bo‘yicha o‘tkazilgan tadqiqotlar boshqa turlar bilan raqobat ularning evolyutsiyasini ham sekinlashtirishi, ham rag‘batlantirishi mumkinligini ko‘rsatgan. Yana bir misol — mikrobiomda mikroorganizmlarning funksional ixtisoslashuvi bo‘lib, u ko‘pincha endosimbioz natijasida yuzaga keladi. Masalan, Candidatus «Moranella endobia» va Candidatus «Tremblaya princeps» bakteriyalari sitrus unli qurti (Planococcus citri) hujayralarida yashaydi. Ularning birgalikda yashashi quyidagi aminokislotalar sintezi yo‘llarining oraliq bosqichlari o‘zaro taqsimlanishiga olib kelgan: fenilalanin, arginin va izoleysin.
Ekologik ustma-ustlik yoki ekvivalentlik bir xil yoxud o‘xshash yashash muhitlaridan olingan namunalarda ham ko‘pincha uchraydigan taksonomik farqlarning sababi bo‘lishi mumkin. Buning yorqin misoli — insonning ko‘plab a’zolarida doimiy «asosiy» mikrobiomning mavjud emasligidir. Masalan, S. M. Hyuz (S. M. Huse) va hammualliflar 2012-yilda xalqaro «Inson mikrobiomi» loyihasi doirasida o‘tkazilgan tadqiqotda mikrobiotani qat’iy toifalarga ajratish amalda imkonsizligini ko‘rsatdi. Ularning fikricha, alohida enterotiplar[ingl.] mavjudligi haqida emas, balki mikrob hamjamiyatlarining uzluksiz gradienti haqida gapirish to‘g‘riroqdir. «Inson mikrobiomi» loyihasi 2007-yilda boshlangan bo‘lib, bu yo‘nalishdagi tadqiqotlar AQSH Milliy sog‘liqni saqlash institutlari tomonidan 2016-yilgacha olib borilgan. Loyiha insonning turli a’zolaridagi mikroflora xilma-xilligi haqida imkon qadar to‘liq tasavvur hosil qilish edi.
Insonning umumiy «asosiy ichak» mikrobiomini ajratish imkonsiz bo‘lsa-da, yanada aniq sharoitlarni belgilab, masalan, «hayvon oqsillari va yog‘lari ko‘p bo‘lgan ovqatlanish sharoitidagi sog‘lom yo‘g‘on ichak» uchun asosiy mikrobiomni tavsiflash mumkin. O‘zaro izchillik ham muhim rol o‘ynashi mumkin: masalan, tish karashining shakllanishida ayni bir joyni buzilishdan keyin paydo bo‘ladigan «erta» yoki «kech» hamjamiyatlar egallashi mumkin. Bundan tashqari, tuproq, ko‘l suvi va sho‘r cho‘kindilar mikrobiomlaridagi operatsion taksonomik birliklar[ingl.] taqsimoti o‘rganilganda, ketma-ketliklarning o‘xshashlik chegarasi 89 % gacha kamaytirilganda ham ular o‘rtasida ustma-ust tushish aniqlanmagan.
Mikrobiomni o‘zgartirish
So‘nggi yillarda mikrobiom tadqiqotlari mezbon organizm va mikrobiom o‘rtasidagi bog‘liqliklarni izlashdan ularning kasalliklar rivojlanishidagi rolini tushunish sari tez rivojlandi. Insonning tabiiy mikrob florasini o‘zgartirish kommensal flora samaradorligini oshirish va u bilan bog‘liq kasalliklar xavfini kamaytirish uchun noyob imkoniyat yaratdi. Muayyan mikrob hamjamiyatining kerakli funksiyasini ta’minlaydigan yoki tiklaydigan, yoxud nomaqbul yoki patogen tarkibiy qismlarni bostiradigan yoki yo‘qotadigan mikroorganizmlarga asoslangan davolash strategiyalari paydo bo‘ldi. Masalan, bakterioterapiya[ingl.] muvaffaqiyatli qo‘llangan, xususan, infeksiyalarni davolashda: Clostridium difficile sabab bo‘lgan holatlarda. Bunda najas mikrobiomini transplantatsiya qilish orqali sog‘lom donordan bemorga mikrobiom o‘tkazilib, normal mikrobiota tiklangan. Boshqa hollarda tizimli biologiya usullari yordamida najas mikrobiomi transplantatsiyasi ta’sirini ko‘p jihatdan takrorlay oladigan ayrim mikroorganizmlar va ularning hamjamiyatlari aniqlangan.
Mikrobiomni in situ sharoitida o‘zgartirishning tajribaviy usullari ham mavjud. Bu maqsadda CRISPR/Cas9 tizimlaridan foydalaniladi. Ular patogenlar genomidagi antibiotiklarga chidamlilik uchun javob beradigan muayyan qismlarni tanib, ularning parchalanishiga sabab bo‘la oladi. Bu tizimlarni bakteriya hujayralariga yetkazish uchun bakteriofaglar ishlatiladi. Bunda CRISPR/Cas9 nukleazalar o‘ziga xos tuzilishi tufayli potensial xavfli bakteriyalarning faqat muayyan shtammlariga ta’sir qiladi. Shu bois ulardan foydalanish normal mikroflora uchun xavfsiz bo‘lib, disbakterioz rivojlanishining oldini olishi mumkin.
Loyihalar
Yuqorida tilga olingan «Inson mikrobiomi» loyihasidan tashqari, 2010-yilda tashkil etilgan «Yer mikrobiomi» loyihasi ham mavjud. Bu dunyo bo‘ylab tabiatdan namunalar to‘plash va mikrob hamjamiyatlarini tahlil qilish tashabbusidir. Mikroorganizmlar juda keng tarqalgan, xilma-xil va ekologik tizimda muhim rol o‘ynaydi. Shunga qaramay, 2010-yil holatiga ko‘ra, atrof-muhitda sekvensiyalangan qism jami miqdorning 1 % idan kamini tashkil etgani aniqlangan; bunda umumiy DNK deganda bir necha litr dengiz suvi yoki bir gramm tuproqda aniqlangan DNK nazarda tutilgan. Mikroorganizmlar o‘rtasidagi aniq o‘zaro ta’sirlar hali ham noma’lum. «Yer mikrobiomi» loyihasining maqsadi 200 000 tagacha namunani turli biomlarda qayta ishlab, Yer mikroorganizmlarining to‘liq ma’lumotlar bazasini yaratishdir. Bu atrof-muhit va ekotizimlarni mikroblar tarkibi hamda ularning o‘zaro ta’siri asosida tavsiflash imkonini beradi. Shu ma’lumotlar yordamida yangi ekologik va evolyutsion nazariyalarni taklif qilish hamda sinovdan o‘tkazish mumkin.
