167-173 A Gundogdu.indd

flora
DERL EME/ REV I EW
FLORA 2015;20(4):167-173
Antibiyotik Çağı Sonunda Keşfedilen Yeni Dünyalar:
Rezistom ve Mobilom
New Worlds Discovered Towards the End of the Antibiotic Era:
Resistome and Mobilome
Aycan GÜNDOĞDU1, Emine ALP MEŞE2
1
Erciyes Üniversitesi Tıp Fakültesi, Tibbi Mikrobiyoloji Anabilim Dalı, Kayseri, Türkiye
2
Erciyes Üniversitesi Tıp Fakültesi, İnfeksiyon Hastalıkları ve Klinik Mikrobiyoloji Anabilim Dalı, Kayseri, Türkiye
ÖZET
Keşfedildiği 20. yüzyılın ortalarından günümüze kadar ortalama insan ömrünü ve kalitesini artıran en önemli buluşlardan olan antibiyotikler ve beraberinde getirdiği antibiyotik çağı, patojenlerde çoklu ilaç direncinin yaygınlaşması ile birlikte kapanma aşamasına gelmiştir.
Esasen biyosferin her bölgesinde doğal olarak bulunan antimikrobiyal direnç genleri, hareketli genetik elementler aracılığıyla dinamizm
kazanarak patojen suşlara akış sağlamaktadır. Bir ekosistemdeki direnç genlerinin toplamı olarak tanımlanan “rezistom” hareketli
genetik elementlerin toplamı olan “mobilom” döngüsü şeklinde tanımlanan bu sistem, antibiyotik direncinin çevresel rezervuarlardan
kliniğe akışına açıklık getiren bir hipotez olarak öne sürülmektedir. Bu görüşe göre son yüzyılda artan antibiyotik baskısı ile çoklu ilaca
dirençli, genişletilmiş ilaca dirençli, tüm antibiyotiklere dirençli olarak tanımlanan suşların ortaya çıkmasındaki temel sebep, her biri
bir direnç geni havuzu olan toprak mikroorganizmaları komünitesi (toprak mikrobiyotası), gıda mikrobiyotası, akuatik mikrobiyota,
atık sular, insan mikrobiyotası ve klinik arasındaki rezistom-mobilom döngüsüdür. Mevcut konvansiyonel mikrobiyolojik yöntemlerdeki
yetersizlikler -mikroorganizmaların çok büyük bir kısmını örneklenememesi, direnç genleri havuzunun tamamının taranamaması gibimetagenomik yöntemlerin ortaya çıkmasına neden olmuştur. Kültürleme olmaksızın, çevresel örneklerdeki tüm genetik materyalin
analizine olanak sağlayan metagenomik yöntemler son yıllarda yürütülen rezistom-mobilom çalışmalarının da temelini oluşturmaktadır.
Doğadaki rezistom ve mobilom yapılarını daha iyi kavramamız antibiyotiklerin klinik ve endüstriyel düzeyde bilinçli kullanımına, patojen
ve direnç yayılımının kontrolü için etkili biyogüvenlik yaklaşımların geliştirilmesine, yeni nesil antibiyotik tasarımı veya bakteriyofaj terapi, probiyotik terapi gibi alternatif tamamlayıcı yöntemlerin geliştirilmesine öncü olacaktır. Bu derlemede, yakın zamanda elde edilen
bulgulara dayanarak antibiyotik direncinin mikrobiyal ekosistemle olan ilişkisi özetlenmiş ve moleküler mikrobiyolojinin yeni paradigması olan metagenomik yöntemlerin sözkonusu ilişkiyi incelemedeki önemi ortaya konmuştur.
Anahtar Kelimeler: Antiyotik direnci; Rezistom; Mobilom; Metagenom
SUMMARY
New Worlds Discovered Towards the End of Antibiotic Era:
Resistome and Mobilome
Aycan GÜNDOĞDU1, Emine ALP MEŞE2
1
2
Department of Medical Microbiology, Faculty of Medicine, University of Erciyes, Kayseri, Turkey
Department of Infectious Diseases and Clinical Microbiology, Faculty of Medicine, University of Erciyes, Kayseri, Turkey
Geliş Tarihi/Received: 26/10/2015 - Kabul Ediliş Tarihi/Accepted: 17/01/2016
167
Antibiyotik Çağı Sonunda Keşfedilen Yeni Dünyalar: Rezistom ve Mobilom
Antibiotics, which have increased human life expectancy and quality since their discovery in the mid 20th century, and the antibiotic era
associated with them have come to an end with increased prevelance of multiple drug resistance in pathogens. Antimicrobial resistance
genes, which can be found naturally across biosphere, can acquire a dynamic structure and deplace pathogen strains. This system,
which is defined as resistome (the total resistance genes content) - mobilome (the total mobile genetic elements content) cycle, is
proposed as a hypothesis explaining the flux of antibiotic resistance from environment to the clinic. Accordingly, the main reason behind
the emergence of strains in the last century, which are multiple drug resistant with increased antibiotic suppression, extended drug
resistant, and resistant to all antibiotics, is the resistome-mobilome cycle between soil microorganisms community (soil microbiata),
each of which are a resistant gene pool, food microbiata, aquatic microbiata, waste water, human microbiata and the clinic. Since
current conventional microbiological methods cannot sample a majority of microorganisms and cannot cover the entire resistance
gene reservoirs, metagenomic approaches have emerged. Metagenomic approaches, which are able to analyze the entire genetical
material within environmental samples without the requirement of culturing, is the basis for recent resistome-mobilome studies. A better
understanding of resistome-mobilome structures in the nature will lead to careful industrial and clinical use of antibiotics, development
of effective biosafety approaches for the control of pathogen and resistance gene spread, as well as the design of new generation
antibiotics or alternative and complementary therapies such as bacteriophage therapy or probiotic therapies. In this review, the relation
of antibiotic resistance with the microbial ecosystem is summarized based on recent findings, and also the role of metagenomics, as the
new paradigm of molecular microbiology, in the analysis of the corresponding relation is demostrated.
Key Words: Antimicrobial resistance; Resistome; Mobilome; Metagenomics
A
ntibiyotiklerin keşfi, günümüze kadar gerçekleşmiş farmakolojik başarıların ilk sıralarında
yer alır. Penisilinin klinik tedavide kullanılmaya
başlandığı 20. yüzyılın ortalarından itibaren girdiğimiz antibiyotik çağında, insan ömrünün ortalama
10 yıl uzadığı bilinmektedir[1]. Fakat, antibiyotiklerin yaygın olarak kullanıldığı günümüzde, özellikle
bakteriler tarafından geliştirilen “direnç” sebebiyle,
infeksiyon tedavilerinde başarısızlık yaşanabilmekte
ve küresel anlamda yetişkinlerde ikinci, çocuklarda
ise ilk sırada gelen ölüm sebebi olarak infeksiyon
hastalıkları raporlanmaktadır[2,3]. Bu tablo ışığında
antibiyotik tedavisinden/etkisinden tamamıyla mahrum kalınacak bir senaryonun dünyada oldukça
ciddi sorunlara yol açacağı aşikardır. Bugün bu
tehlikenin kapımızda olduğu ve postantibiyotik çağının sınırına geldiğimiz, bilim çevrelerince öne
sürülen bir görüş haline gelmiştir. Son dönem bu
konunun irdelenmesi üzerine eğilmiş olan metagenomik temelli çalışmalar ise, tablonun potansiyel
olarak tahmin edilenden daha da vahim olabileceğinin sinyallerini vermektedir.
Antibiyotiklere dirençli bakteri türlerinin varlığı, antibiyotiğin klinikte uygulanmaya başladığı ilk
dönemden beri bilinmektedir. Örneğin; penisilin
direnci, ilacın kullanılmaya başlandığı tarihten hemen hemen iki yıl sonra raporlanmıştır[4]. Daha
sonra üretilen her antibiyotik için uzun sayılamayacak bir süre içerisinde dirençli suşların varlığına
rastlanmış ve bu süre ortalama sekiz yıl olarak
tespit edilmiştir[5]. Her gün dünyanın çeşitli bölgelerinden dirençli suşların varlığı rapor edilmektedir.
Bu raporlarda çoklu antibiyotik direncinin sıklığı
168
ve klinikten izole edilen patojenlerde direnç artışı
dikkati çekmekte ve bütün antibiyotik sınıflarına dirençli “panrezistan” suşların yaygınlaşması tehlikesi
vurgulanmaktadır[6]. Bunlara ek olarak, farmakoloji
endüstrisinin, düşük yatırım-kar marjları sebebiyle
yenilikçi antibiyotik araştırma ve geliştirme faaliyetlerinden uzak durması, elimizdeki seçeneklerin
gittikçe daralmasına yol açmaktadır[7]. Bu sebeple,
antibiyotik çağının kapanma tehlikesi bizi beklemektedir ve bu tablo “antibiyotik çağı krizi” olarak
adlandırılmaktadır.
Antibiyotik çağı krizinin aşılması için akla ilk
olarak mevcut antibiyotik kullanım/üretim politikalarını sürdürülebilir hale getirmek gelebilir. Bunlar;
dönüşümlü antibiyotik kullanımı, direnç geliştikçe
yeni antibiyotiklerin bulunmasının teşvik edilmesi
olarak sayılabilir. Ancak içinde bulunduğumuz on
yılda yapılan araştırmalarda elde edilen bulgular,
hakkında çok kısıtlı bilgimiz bulunan mikrobiyal
dünyanın buna yanıt vermekte zorlanmayacak potansiyelde olduğunu göstermektedir. Bu bulgulara
göre, mikrobiyal canlılar biyosferin hemen her
köşesinde rastlanabilecek direnç faktörlerini birbirlerine etkin bir şekilde aktarabildikleri büyük bir
ekosistem oluşturmaktadır[8]. Bu direnç faktörlerinin sistemik toplamı rezistom, hareketli genetik
elementlerin sistemik toplamı ise mobilom olarak
adlandırılmaktadır.
YENİ PARADİGMA: EKOLOJİK
REZİSTOM-MOBİLOM DÖNGÜSÜ
Bu yeni antibiyotik ekosistem paradigmasını
irdelemeye öncelikle, antimikrobiyaller üzerindeki
FLORA 2015;20(4):167-173
Gündoğdu A, Alp Meşe E.
antroposentrik anlayışın dışına çıkarak başlanabilir.
Çoğunlukla infeksiyon gelişiminin önlenmesi ve tedavisi için kullanılan bir ilaç sınıfı olarak tanımlanabilen antibiyotikler, aslında bakteriler tarafından
doğal olarak üretilen ve klinik dozda büyüme inhibisyonuna sebebiyet veren geniş bir biyosentetik
molekül sınıfıdır. Antibiyotik olarak tanımlanan
doğal moleküllerin, aslında bakteri toplulukları içerisinde kommensal ve simbiyotik hayatın regülatörleri olarak hücre-hücre sinyalleşmesini gerçekleştiren elemanlar oldukları öne sürülmüştür[9].
Antibiyotiği üreten bakterinin ilgili direnç geni için
orijin olduğu hipotezi -Producer hypothesis- antibiyotik sentezinin bulunduğu bir sistemde antibiyotik direncinin de var olması beklentisini ortaya
çıkarmaktadır[10,11]. Bu hipotez ile antimikrobiyal
direncin antibiyotiklerin klinik kullanımıyla ortaya
çıkmış evrimsel bir uyum mekanizması olmadığı,
aksine antik bir sinyalleşme ve savunma unsuru
olduğu savunulmaktadır. Bu hipotezi destekleyen
çarpıcı örnekler arasında; serin beta-laktamazların
2 milyar yıl öncesine dayandığı bulgusu, insanın
bulunmadığı Alaska toprağında direnç genlerinin
bulunması, 4 milyon yıllık izole bir mağara ekosisteminde klinikte kullanılan antibiyotiklere direnç
genlerine rastlanması ve modern medeniyetle herhangi bir temas geçmişi olmayan Kızılderili kabilelerinin bağırsak florasında günümüzde kullanılan
antibiyotiklere dirençli suşların bulunması sayılabilir[12-15]. Sinyalleşme mekanizmalarına ek olarak,
bazı bakteri topluluklarının antibiyotik direnç mekanizmalarını sosyal davranış sistemlerine çevirdikleri ve topluluklarını dış tehditlerden antibiyotik
salınımıyla savundukları yine direnç mekanizmalarının mikrobiyal dünyanın doğal unsurları olduğunu
gösteren bulgulardandır[16]. Besin yoksunu ekstrem
habitatlarda, antibiyotik biyosentetiklerinin mikrobiyal türler tarafından besin ögesi olarak kullanılabildiği gözlemi, direnç mekanizmalarının bakteriler
için yaygın bir hayatta kalma stratejisi olabileceği
tezini desteklemektedir[17]. Bu bulguların ışığında,
tüm biyosferin klinikte kullanılan antibiyotiklere karşı gelişmiş olan direnç unsurları için potansiyel bir
gen havuzu içerdiği hipotezi ortaya atılabilir. Bu
noktada antibiyotiklerin icat edilmedikleri, keşfedildikleri kabulünü hatırlamamız gerekmektedir. Günümüzde kullanılan antibiyotiklerin %80’ine yakını
toprak bakterisi kaynaklıdır[18]. Bu sebeple, çevresel
mikrobiyal örneklerde, klinikte tespit edilen direnç
unsurlarına rastlanması şaşırtıcı bir sonuç olmaktan
FLORA 2015;20(4):167-173
çıkmaktadır. Yakın zamanda yürütülmeye başlanan
metagenomik araştırmalarda, bu hipotezle paralel
bir şekilde, dünyanın çeşitli habitatlarından alınan çevresel örnekler içerisinde klinikte kullanılan
antibiyotiklere dirençli gen havuzları keşfedilmiştir. Bugüne kadar incelenmiş olan toprak; deniz,
akarsu ve atık sular gibi akuatik ortamlar; sebze
mikrofloraları ve besi hayvanı mikrobiyomu gibi insan besini ögelerinde, sıklıkla klinikte de tespit edilen, direnç genlerine rastlanmaktadır[19-21]. A sınıfı
genişlemiş spektrumlu beta-laktamaz olan CTX-M
tiplerine çevresel Kluyvera türlerinde rastlanması,
Beringia buzullarındaki 30.000 yıllık antik DNA’da
klinikte görülen VanA geninin yakın homoloğunun
bulunması, Klebsiella pneumoniae’dan izole edilen
plazmid üzerinde bulunan QnrA direnç geninin
çevresel su örneklerinden izole edilen Vibrionaceae ailesi kromozomlarında da görülmesi örnek
olarak verilebilir[22-24]. Bu bulgulardan hareketle,
büyük bir rezistom ekosisteminin dinamik olarak
çevreden kliniğe akışının bulunduğu hipotezi gittikçe kabul gören bir görüş haline gelmektedir.
Bilindiği gibi bakterilerin geliştirdiği birden çok
antibiyotik direnç mekanizması bulunmaktadır. Antibiyotik baskısı dirençli suşların seçilmesine sebep
olurken, mutasyonlar aracılığıyla tek bir nükleotidde meydana gelen değişiklik bile direnç genlerinin
oluşmasına ya da var olan genlerin aktifleşmesine
sebep olabilir. Ancak antibiyotiklere karşı aktif
savunma sağlayabilmenin önemli ölçüde horizontal
mekanizmalardan kaynaklandığı düşünülmektedir.
Bu mekanizmalar, mobil genetik elementler vasıtasıyla direnç faktörlerinin transfer edildiği dinamik
bir sistem anlamına gelmektedir. Oldukça geniş
habitatları kapsayan rezistom ekosistemlerinin, çevreden kliniğe nasıl akış sağladığı sorusunu, bu sistemin eksik kalan parçası mobilom ile yanıtlamak
mümkündür. Mobilom, yani mikrobiyata geneline
yayılmış olan hareketli genetik elemanlar toplamı,
rezistoma “plastisite” kazandırıp ekosistemler arası
direnç aktarımının önünü açmaktadır[25]. Bu görüşün kabulü durumunda karşımıza çoklu direnç havuzlarının olduğu bir ekolojik antimikrobiyal direnç
döngüsü çıkmaktadır. Yine pragmatik bir şekilde,
antroposentrik faydayı göz önünde bulundurarak,
direnç rezervuarlarını ve aralarındaki akışı şu şekilde listeleyebiliriz: toprak mikrobiyotası, gıda mikrobiyotası, akuatik mikrobiyota, atık sular ve insan
mikrobiyotası.
169
Antibiyotik Çağı Sonunda Keşfedilen Yeni Dünyalar: Rezistom ve Mobilom
DİRENÇ REZERVUARLARI
1. Toprak mikrobiyotası klinikte kullanılan
antibiyotiklerin çoğuna karşı dirençten sorumlu
önemli bir gen havuzu içermektedir. Topraktan
kliniğe horizontal transfer gözlemlenememiş olsa
da, bu iki grup arasında paylaşılan yüksek sayıdaki ortak direnç geni doğrudan veya dolaylı bir
iletişime işaret etmektedir[26]. Toprak mikrobiyotasına direnç geni potansiyel olarak atık su arıtma
tortusu, yağmur, ölen hayvan ve insan mikrobiyotalarının toprağa karışması yoluyla girebilirken,
diğer rezervuarlara direnç geni akuatik ortama
sızma ve tarım ürünleri şeklinde aktarılmaktadır.
2. Gıda mikrobiyotaları insanla doğrudan besin
ve fiziksel temas yoluyla bulaş oluşturabilecek bir
rezervuarı oluşturmaktadır. Bu rezervuarda hayvan
hastalıklarını önlemek için kullanılan antibiyotikler,
hayvan mikrobiyomundaki seçici baskı sonucu direnç faktörlerinin gelişimine neden olabilmektedir.
Hayvan ve bitki mikrobiyotası, tıpkı toprak gibi
direncin doğal olarak bulunduğu rezervuarlar olabileceği gibi, akuatik ortamlardan ve topraktan buraya direnç geni akışı da mümkün olabilmektedir.
Günümüzde antibiyotik kullanımının yalnızca
küçük bir kısmının hastalarda klinik kullanımı olduğu düşünülürse, dirençli suşların ana kaynaklarından birinin hayvancılık olduğunu kabul etmek
yanlış olmaz. Geçtiğimiz yüzyıldan başlayarak,
hayvan sağlığı ve üretim kapasitesinin artırılması
gerekçesiyle besi hayvancılığında yüksek oranlarda antibiyotik kullanılmaktadır. Avrupa Birliği’nin
1997 yılında yürürlüğe giren, hayvancılıkta büyüme artırıcı antibiyotiklerin kullanımı yasağı kanunu
büyük tartışmaya sebep olmuştur[27]. Buna benzer
düzenlemelerin daha önceden yürürlüğe girdiği
İskandinav ülkelerinde, insan mikrobiyomlarının
tetrasiklin ve eritromisin dirençlerinin Fransa ve
İtalya’daki örneklere oranla daha düşük olduğu
tespit edilmiştir[28]. İnsan mikrobiyom veritabanları
üzerinde yürütülen metagenomik çalışmalarda ise,
gıda üretiminde antibiyotik kullanımı ile insan
mikrobiyom direnç potansiyelleri arasında bağlantı
olduğu görülmektedir[8].
3. Akuatik mikrobiyota deniz, akarsu ve ırmak
gibi akuatik bakterilerin doğal direnç rezervuarları
olabilmektedir. Ayrıca akuatik mikrobiyotaya, atık
su ve topraktan da direnç genleri gelebilmektedir.
170
Bu rezervuardan, içme ve sulama suyu yoluyla,
insana doğrudan veya dolaylı yoldan direnç geni
aktarımı olabilmektedir[29].
4. Atık sular esasen endüstriyel, klinik ve
kentsel atıkların toplandığı ortamlardır. Bakteri ve
dolayısıyla hareketli element yoğunluğu yüksek,
antibiyotik atığı ve besin bakımından zengin olan
atık sular yeni direnç mekanizmalarının oluşması
ve var olan direnç genlerinin transferi için en
uygun bölgelerin başında gelmektedir. Bu noktalardan akuatik ve toprak mikrobiyotalarına direnç
geni aktarımı mümkün olabilmektedir.
5. İnsan mikrobiyotası hem gıda yoluyla hem
de su tüketimiyle direnç genlerini bünyesine alabilmektedir. Ayrıca insan mikrobiyotası doğal olarak
bir direnç geni rezervuarıdır. Bu durumu; modern teması olmayan insan kabilelerinin, klinikte
kullanılan antibiyotiklere dirençli mikrobiyom elemanlarına sahip olması, antibiyotik tedavisi uygulanmayan yenidoğanlarda üçüncü günden itibaren
metisilin, florokinolon ve çoklu antibiyotik direnç
kaynağı efluks pompası yolaklarının, altıncı günde teikoplanin direnç genlerinin, 92. günde ise
beta-laktamaz genlerinin görülmesi gibi bulgularla
desteklemek mümkündür[30,31].
Bu ekolojik tablo, rezistom döngüsünün dirençli suşların ortaya çıkışına önemli bir kaynak
oluşturabileceğini göstermektedir. Ayrıca antibiyotik
çağı sorunlarının sadece klinik ve farmakolojik bir
problem olmadığını ortaya çıkarmaktadır. Buna ek
olarak, rezistom-mobilom elementlerinin rezistom
döngüsüne katılması durumunda, direnç havuzundaki çoklu direnç potansiyelini artırarak, pozitif
geri beslemeye neden olabileceği ve antibiyotik
direnç sorununu artırabileceği öne sürülebilir. Dolayısıyla antibiyotik çağı sorunlarının aşılmasında,
klinik/halk sağlığı önlemlerinin ve farmakolojik
girişimlerin yanı sıra global ölçekte hayvancılık,
çevre ve su politikalarında alınacak tedbirler oldukça önemlidir.
Antibiyotik çağının sorunlarından biri, ilaç
endüstrisinin yeni antibiyotik geliştirme hızının
düşmesidir. Fakat son yüzyılda antibiyotik baskısı altında bakterilerin mobilom yoluyla direnç
kazanma yeteneklerinin daha da gelişmiş olabileceği ve dolayısıyla direnç geni havuzunun tahminlerin ötesinde çeşitli ve geniş olabileceği çok
daha ciddi bir sorun olarak kabul görmektedir[32].
Mobilomun önemli bir elemanı olan integronlar,
FLORA 2015;20(4):167-173
Gündoğdu A, Alp Meşe E.
özellikle direnç genlerini tanıma ve bünyesine
alma özelliği gösteren bölgeye özel rekombinasyon sistemiyle çalışmaktadır[33]. Evrimsel süreçte,
gen homolojisine gerek kalmadan bir bakterinin
farklı direnç genlerini genomuna entegre edebilmesi integronlarla mümkün olmuştur. Mobilom
üzerine yapılan çalışmalarda, patojenik türlerin
yalnızca direnç genlerinde artış tespit edilmemiş,
ayrıca rezistom-mobilom entegrasyonu ile plastisitesi yüksek çoklu direnç adalarının oluştuğu ve
mobil genetik element havuzunun da genişlediği
gözlemlenmiştir[34]. Örneğin; antibiyotiklerin keşfinden önceki dönemde izole edilmiş olan plazmidlerde, bilinen antibiyotik direnç elemanlarına
rastlanmamıştır[35]. Öte yandan yeni plazmidler
ele alındığında, üzerlerinde çok sayıda mobil eleman taşıdıkları ve kompleks yapılarını bu yolla
geliştirebildikleri anlaşılmaktadır. Bu fenomen özellikle Pseudomonas aeruginosa ve Acinetobacter
baumannii gibi nozokomiyal patojenlerde önemli
ölçüde gözlenebilmektedir[36].
ANTİBİYOTİK DİRENCİ
ARAŞTIRMALARINDA
BİYOTEKNOLOJİK GENEL GÖRÜŞ
Mikroorganizma kültürü, mikrobiyal çalışmalarda, dolayısıyla antimikrobiyal direnç araştırmalarında, kullanılan yaygın mikrobiyolojik yöntemdir.
Fakat kültür yöntemi, sadece belli türlerin direnç
potansiyelini inceleme imkanı verdiği için, daha
geniş bir filogenetik yelpazede araştırma yapılmasına imkan vermemektedir. Özellikle dış ortamda
bulunan bakteri türlerinin %1’den daha azı standart tekniklerle kültürlenebilmektedir[37]. Ayrıca,
rezistom, mobilom gibi klinik öneme sahip genetik
materyaller konvansiyonel yöntemlerle taranamamaktadır. Bu sebeple, metagenomik yöntemler
çevresel DNA örneklerinin, kültüre dayalı olmadan, ortamdan örneklendiği ve moleküler incelemeye tabi tutulduğu yöntemler olup, son dönemde
yürütülen mobilom-rezistom çalışmalarının temelini
oluşturmaktadır. Günümüzde kültürde üretilmesi
teknik olarak mümkün olmayan türlerin dahi DNA
dizileri elde edilerek, bilinen antibiyotiklere karşı
gelişmiş olan tüm direnç faktörlerinin keşfedilmesi
mümkün olmuştur[38].
Rezistom analizi için yaygınlıkla kabul gören
iki temel yaklaşım bulunmaktadır: tüm metagenom
sekanslaması temelli rezistom analizi ve fonksiyonel metagenomik temelli rezistom analizi.
FLORA 2015;20(4):167-173
1. Tüm metagenom sekanslaması temelli rezistom analizi: Bu yaklaşımda öncelikle,
çevresel bir örneğin tüm DNA materyalini izole
ederek “shotgun” sekanslama yöntemiyle DNA
okumaları elde edilmekte ve biyoinformatik yöntemlerle bilinen direnç genleri taranmaktadır.
2. Fonksiyonel metagenomik temelli rezistom analizi: Bu “in vitro seçilim-in silico
analiz” temelli yaklaşım, son yıllarda birçok önemli
çalışmada kullanılmıştır. Bu yaklaşımdaki aşamalar
özetlenecek olursa; çevresel örneklerden toplam
DNA izolasyonu, bunların kısa DNA fragmanlara ayrılarak vektörlere klonlanması ve bir konak
içerisinde (örn. Escherichia coli MegaX) genlerinin
ifade edilmesine imkan sağlanması, bu konak bakterilerin antibiyotik stresine tabi tutularak seçilime
uğratılması ve dirençli klonların tüm genom sekanslamasının yapılarak direnç genlerinin biyoinformatik analizle bulunmasıdır.
Söz konusu iki yöntem halihazırda en gelişmiş rezistom analizi yöntemleridir. Ancak her iki
yöntemin de birbirlerine karşı üstünlükleri ve eksiklikleri bulunmaktadır. Mevcut iki yaklaşımın da
olumsuzluklarını ortadan kaldırabilecek ve topluluk
seviyesinde in vitro seçilim sağlayarak tüm metagenom incelemesi yapılabilecek hibrit metodolojilerin geliştirilmesi, rezistomun henüz ortaya çıkarılamamış genetik kaynağının tespiti için önemli bir
gelişme olacaktır.
Sonuç olarak, doğadaki rezistomun çok küçük bir kısmını keşfetmiş olmamıza rağmen, son
dönemde elde edilen kısıtlı metagenomik bilgiler,
klinik patojenlerde rastlanan direncin doğada da
sıklıkla görüldüğü ve türler arasında kolaylıkla
transfer edilebildiğini göstermektedir. Bu nedenle
antimikrobiyal direnç profillerinin daha iyi kavranması için, yeni nesil moleküler mikrobiyolojik ve
biyoinformatik yaklaşımların geliştirilmesi gereklidir.
Doğadaki rezistom ve mobilom yapılarını daha iyi
kavramamız, antibiyotiklerin klinik ve endüstriyel
düzeyde bilinçli kullanımına ve direnç paternlerine
göre antibiyotik tercih stratejilerinin geliştirilmesine, patojen ve direnç yayılımının kontrolü için
etkili biyogüvenlik yaklaşımlarının ele alınmasına
ve yeni nesil antibiyotik tasarımı veya bakteriyofaj
terapi, probiyotik terapi gibi alternatif tamamlayıcı
yöntemlerin geliştirilmesine öncü olacaktır. Antibiyotik öncesi döneme dönülmemesi için atılacak en
171
Antibiyotik Çağı Sonunda Keşfedilen Yeni Dünyalar: Rezistom ve Mobilom
önemli adım, antibiyotik çağı sorunlarının global
ölçekte, multidisipliner bir problem olduğunun kabul edilip, bu yönde önlemlerin alınmasıdır.
KAYNAKLAR
1. Oeppen J, Vaupel JW. Broken limits to life expectancy. Science
2002;296:1029-31.
2. Spížek J, Novotná J, Rezanka T, Demain AL. Do we need new
antibiotics? The search for new targets and new compounds.
J Ind Microbiol Biotechnol 2010;37:1241-8.
3. Fauci AC, Touchette NA, Folkers GK. Emerging infectious
diseases: a 10-year perspective from the National Institute
of Allergy and Infectious Diseases. Emerg Infect Dis
2005;11:519-25.
4. Chambers HF, DeLeo FR. Waves of resistance: Staphylococcus
aureus in the antibiotic era. Nat Rev Microbiol 2009;7:629-41.
5. Choffnes ER, Relman DA, Mack A, and Rapporteurs. Forum
on Microbial Threats; Institute of Medicine. Antibiotic
Resistance: Implications for Global Health and Novel
Intervention Strategies: Workshop Summary. The National
Academies Press, Washington, DC, USA (2010).
6. Abdul G, Vidyalakshmi PR, Murali A, Priyadarshini K,
Thirunarayan MA. Emergence of pan-drug resistance amongst
gram negative bacteria! J Microbiol Infect Dis 2014;3:86-91.
7. Nathan C, Goldberg FM. Outlook: the profit problem in
antibiotic R&D. Nat Rev Drug Dis 2005;4:887-91.
8. Schmieder R, Edwards R. Insights into antibiotic resistance
through metagenomics approaches. Future Microbiol
2012;7:73-89.
9. Stevens AM, Schuster M, Rumbaugh KP. Working together
for the common good: cell-cell communication in bacteria. J
Bacteriol 2012;194:2131-41.
10. Cundliffe E. How antibiotic-producing organisms avoid
suicide. Annu Rev Microbiol 1989;43:297-33.
11. Davies J, Davies D. Origins and evolution of antibiotic
resistance. Mol Biol Rev 2010;74:417-33.
12. Hall BG, Barlow M. Evolution of the serine β-lactamases:
past, present and future. Drug Resis Update 2004;7:111-23.
13. Allen HK, Moe LA, Rodbumrer J, Gaarder A, Handelsman J.
Functional metagenomics reveals diverse β-lactamases in
aremote Alaskan soil. ISME 2008;3:243-51.
14. Bhullar K, Waglechner N, Pawlowski A, Koteva K, Banks ED,
Johnston MD, et al. Antibiotic resistance is prevalent in an
isolated cave microbiome. PLoS One 2012;4:e34953.
15. Clemente JC, Pehrsson EC, Blaser MJ, Sandhu K, Gao Z,
Wang B, et al. The microbiome of uncontacted Amerindians.
Science Advance 2015;1:e1500183.
16. Cordero OX, Wildschutte H, Kirkup B, Proehl S, Ngo L,
Hussain F, et al. Ecological populations of bacteria act as
socially cohesive units of antibiotic production and resistance.
Science 2012;337:1228-31.
172
17. Fung DK, Chan EW, Chin ML, Chan RC. Delineation of a
bacterial starvation stress response network which can
mediate antibiotic tolerance development. Antimicrob
Agents Chemother 2010;54:1082-93.
18. Abbas S, Senthilkumar R, Arjunan S. Isolation and molecular
characterization of microorganisms producing novel antibiotics
from soil sample. Eur J Experiment Biol 2014;4:149-55.
19. Forsberg KJ, Patel S, Gibson MK, Lauber CL, Knight R, Fierer
N, et al. Bacterial phylogeny structures soil resistomes across
habitats. Nature 2014;509:612-6.
20. Wichmann F, Udikovic-Kolic N, Andrew S, Handelsman J.
Diverse antibiotic resistance genes in dairy cow manure.
MBio 2014;5:e01017.
21. Heuer OE, Kruse H, Grave K, Collignon P, KarunasagarI,
Angulo FJ. Human health consequences of use of antimicrobial
agents in aquaculture. Clin Infect Dis 2009;49:1248-53.
22. Humeniuk C, Arlet G, Gautier V, Grimont P, Labia R, Philippon A. Beta-lactamases of Kluyvera ascorbata, probable progenitors of some plasmid-encoded CTX-M-types. Antimicrob
Agents Chemoter 2002;46:3045-9.
23. D’Costa VM, King CE, Kalan L, Morar M, Sung WW,
Schwarz C, et al. Antibiotic resistance is ancient. Nature
2011;477:457-61.
24. Poirel L, Rodriguez-Martinez JM, Mammeri H, Liard A,
Nordmann P. Origin of plasmid-mediated quinolone
resistance determinant QnrA. Antimicrob Agents Chemoter
2005;49:3523-5.
25. Li LL, Norman A, Hansen LH, Sørensen SJ. Metamobilomics:
expanding our knowledge on the pool of plasmid encoded
traits in natural environments using high-throughput
sequencing. Clin Microbiol Infect 2012;18:5-7.
26. Wright GD. Antibiotic resistance in the environment: a link to
the clinic? Curr Opin Biotechnol 2010;13:589-94.
27. Casewell M, Friis C, Marco E, McMullin P, Phillips I. The
Europeanban on growth-promoting antibiotics and emerging
consequences for human and animal health. J Antimicrob
Chemother 2003;52:159-61.
28. Forslund K, Sunagawa S, Kultima JR, Mende D, Arumugam
M, Typas A, et al. Country-specific antibiotic use practices
impact the human gut resistome. Genome Resear
2013;23:1163-9.
29. Baquero F, Martínez JL, Cantón R. Antibiotics and antibiotic
resistance in water environments. Curr Opin Biotechnol
2008;19:260-5.
30. Martínez I, Stegen JC, Maldonado-Gómez MX, Eren AM,
Siba PM, Greenhill AR, et al. The gut microbiota of rural
papua new guineans: composition, diversity patterns, and
ecological processes. Cell Rep 2015;11:527-38.
31. Groer MW, Luciano, AA, Dishaw LJ, Ashmeade TL, Miller
E, Gilbert JA. Development of the preterm infant gut
microbiome: a research priority. Microbiome 2014;2:38.
FLORA 2015;20(4):167-173
Gündoğdu A, Alp Meşe E.
32. Gillings MR. Evolutionary consequences of antibiotic use for
the resistome, mobilome, and microbial pangenome. Front
Microbiol 2013;4:4.
37. Singh BK, Millard P, Whiteley AS, Murrell JC. Unravelling
rhizosphere-microbial interactions: opportunities and
limitations. Trends Microbiol 2004;12:386-93.
33. Fluit AC, Schmitz FJ. Resistance integrons and superintegrons. Clin Microbiol Infect 2004;10:272-88.
38. Zhang J, Chiodini R, Badr A, Zhang G. The impact of nextgeneration sequencing on genomics. J Genet and Genomics
2011;38:95-109.
34. Perry JA, Wright GD. The antibiotic resistance “mobilome”:
searching for the link between environment and clinic. Front
Microbiol 2013;4:138.
35. Hughes VM, Datta N. Conjugative plasmids in bacteria ofthe
“pre-antibiotic” era. Nature 1983;302:725-6.
36. Seitz P, Blokesch M. Cues and regulatory pathways involved
in natural competence and trans-formation in pathogenic
and environmental gram-negative bacteria. FEMS Microbiol
Rev 2012;37:336-63.
FLORA 2015;20(4):167-173
Yazışma Adresi/Address for Correspondence
Yrd. Doç. Dr. Aycan GÜNDOĞDU
Erciyes Üniversitesi Tıp Fakültesi
Tıbbi Mikrobiyoloji Anabilim Dalı
Kayseri-Türkiye
E-posta: [email protected]
173