نظام مرتبط مرة واحدة الحمض النووي تطور التنظيم في البكتيريا الزرقاء إلى بنية تشكل الخلية نفسها. ويكشف هذا التحول كيف يمكن للتطور أن يحول الأدوات البيولوجية القديمة إلى وظائف جديدة تماما.

لعبت البكتيريا الضوئية دورًا حاسمًا في تشكيل كوكبنا. ومن بينها، تبرز البكتيريا الزرقاء في إنتاج الأكسجين الذي ملأ الغلاف الجوي للأرض ومكن الحياة المعقدة من التطور. الآن، كشف العلماء في معهد العلوم والتكنولوجيا في النمسا (ISTA) عن تطور غير متوقع في كيفية عمل هذه الكائنات. النظام الذي كان يُعتقد منذ فترة طويلة أنه يفصل الحمض النووي، اتخذ بدلاً من ذلك وظيفة مختلفة تمامًا، حيث ساعد في تحديد شكل خلايا البكتيريا الزرقاء. الدراسة التي نشرت في علوميقدم أدلة جديدة حول كيفية تطور أنظمة البروتين وكيفية نشوء الحياة متعددة الخلايا في هذه البكتيريا المهمة بيئيًا.

“البكتيريا الزرقاء هي في الأساس رائدة في مجال الأكسجين التمثيل الضوئييقول بنجامين سبرينجستين، باحث ما بعد الدكتوراه في المجموعة الفضفاضة بمعهد العلوم والتكنولوجيا في النمسا (ISTA).

“إنهم مسؤولون عن حدث الأوكسجين العظيم منذ حوالي 2.5 مليار سنة، عندما تراكم الأكسجين في الغلاف الجوي وجعل الحياة الهوائية ممكنة. وبدونهم، من الآمن أن نقول أنه لن يكون أي منا هنا اليوم.”

وحتى الآن، تظل البكتيريا الزرقاء حيوية للأنظمة البيئية للأرض. إنها تساهم بشكل كبير في الكتلة الحيوية العالمية وتلعب أدوارًا رئيسية في تدوير الكربون والنيتروجين. هذه الكائنات قابلة للتكيف بشكل ملحوظ، وتزدهر في البيئات القاسية التي تتراوح من الينابيع الساخنة إلى القطب الشمالي، وكذلك على الأسطح مثل الأسطح والجدران في المدن. واحد مدروس جيدا صِنف، أنابينا س. PCC 7120 (أو ببساطة Anabaena)، كان كائنًا حيًا نموذجيًا لأكثر من 30 عامًا.

التطور يعيد استخدام نظام الحمض النووي في بنية تشكيل الخلية

عمل سبرينجستين في مجموعة البروفيسور مارتن لوس جنبًا إلى جنب مع متعاونين من ISTA، ومعهد باستور دي مونتيفيديو (أوروغواي)، وجامعة كيل (ألمانيا)، وجامعة زيورخ (سويسرا). تظهر أبحاثهم أن الأناباينا، ومن المحتمل أن العديد من البكتيريا الزرقاء متعددة الخلايا الأخرى، قد خضعت لتغيير تطوري كبير. تم تحويل نظام قديم كان يستخدم في السابق لفصل الحمض النووي إلى هيكل يشبه الهيكل الخلوي يساعد في التحكم في شكل الخلية.

الحمض النووي في البكتيريا: تمهيدي موجز

مثل كل البكتيريا، تتكاثر الأنابينا من خلال انقسام الخلايا. وتتطلب هذه العملية نسخًا دقيقًا وتوزيعًا للحمض النووي بحيث تتلقى كل خلية جديدة المادة الوراثية التي تحتاجها. يتم تعبئة الحمض النووي بإحكام في الكروموسومات، على غرار الخيط الملفوف حول البكرة، وغالبًا ما يكون موجودًا في نسخ متعددة يجب تمريرها بشكل موثوق أثناء الانقسام.

يوجد الحمض النووي البكتيري في شكلين رئيسيين. تحمل الكروموسومات جينات ضرورية للبقاء، بينما تحتوي البلازميدات على جينات إضافية لا تكون مطلوبة في كثير من الأحيان. تتميز البلازميدات بالحركة العالية ويمكنها الانتقال بين البكتيريا، مما يسمح للصفات بالانتشار بسرعة وتمكين التكيف السريع.

يجد نظام فصل الحمض النووي دورًا جديدًا

يقوم سبرينجستين بدراسة الأناباينا منذ عام 2014، مع التركيز على سماته التطورية والجزيئية. خلال كوفيد-19 أثناء الجائحة، عندما توقف العمل في المختبر، قام بمراجعة الأدبيات العلمية ولاحظ شيئًا غير عادي.

ويتذكر قائلاً: “لقد قدمت ملاحظة بالصدفة”.

ووجد أن الأناباينا وبعض البكتيريا الزرقاء ذات الصلة تحتوي على نظام يسمى ParMR مشفر على الكروموسومات الخاصة بها. ويرتبط هذا النظام عادةً بفصل البلازميد، ولم تتم ملاحظته سابقًا إلا على البلازميدات، التي تعمل كوحدات تخزين جينية متنقلة. قاده هذا الموضع غير المعتاد إلى الشك في أن النظام ربما تكيف مع الكروموسومات المنفصلة بدلاً من ذلك.

بعد انضمامه إلى ISTA كزميل IST-Bridge، اختبر سبرينجستين هذه الفكرة تجريبيًا. وكشفت النتائج عن وظيفة مختلفة. أحد المكونات، ParR، لم يعد يرتبط بالحمض النووي. وبدلا من ذلك، فإنه يعلق على الأغشية الدهنية، وخاصة غشاء الخلية الداخلية. وفي الوقت نفسه، لا يشكل ParM هياكل في السيتوبلازم لتحريك الحمض النووي. وبدلا من ذلك، فإنه يبني شبكات خيوط تحت الغشاء الداخلي مباشرة، مما يخلق مجموعة من البوليمرات البروتينية التي تشبه قشرة الخلية.

بدلاً من تكوين هياكل تشبه المغزل داخل الخلية، كما هو متوقع في فصل الحمض النووي، يبدو أن النظام ينظم نفسه في الغشاء ويساهم في بنية الخلية.

تكشف ديناميكيات الخيوط عن سلوك يشبه الهيكل الخلوي

ولفهم هذا النظام بشكل أفضل، أعاد الباحثون بناءه خارج الخلايا الحية باستخدام مكونات نقية. وفي تجارب إعادة التركيب هذه في المختبر، لاحظوا أن الخيوط تظهر عدم استقرار ديناميكي. فهي تنمو ثم تنهار بسرعة، وهو نمط يُرى أيضًا في الأنابيب الدقيقة في الخلايا الأكثر تعقيدًا.

ولفحص بنيتها بالتفصيل، تعاون الفريق مع أستاذ ISTA فلوريان شور وطالب الدكتوراه مانجوناث جافور. وباستخدام المجهر الإلكتروني المبرد، والذي يسمح للعلماء بتصور الهياكل الجزيئية بدقة عالية جدًا، قاموا بتحليل بنية الخيوط. ووجدوا أنه على عكس الأنظمة المماثلة في البكتيريا الأخرى التي تشكل خيوطًا قطبية، فإن الخيوط في Anabaena ثنائية القطب، مما يعني أنها يمكن أن تنمو وتتقلص من كلا الطرفين.

فقدان النظام يغير شكل الخلية

وأصبح الدور الحقيقي لهذا النظام واضحا عندما تمت إزالته من الخلايا الحية.

يشرح سبرينجستين: “فقدت الخلايا التي تفتقر إلى هذا النظام شكلها الطبيعي المستطيل الشكل، وبدلاً من ذلك أصبحت مستديرة ومنتفخة”.

تُلاحظ مثل هذه التغييرات بشكل شائع عندما تتعطل الجينات المسؤولة عن الحفاظ على شكل الخلية في البكتيريا الأخرى. يشير هذا بقوة إلى أن الوظيفة الأساسية للنظام هي التحكم في شكل الخلية بدلاً من إدارة توزيع الحمض النووي.

ونظرًا لدوره الذي تم تحديده حديثًا وموقعه بالقرب من غشاء الخلية، أعاد الباحثون تسمية النظام “CorMR”.

التطور التدريجي لوظيفة خلوية جديدة

تطورت البكتيريا الزرقاء متعددة الخلايا من أسلاف وحيدة الخلية من خلال الزيادات التدريجية في التعقيد. ساعد تحليل المعلومات الحيوية الذي أجرته المتعاونة دانييلا ميجريان من معهد باستور في مونتيفيديو، أوروغواي، في توضيح كيفية تطور نظام CorMR.

من المحتمل أن يكون التحول قد حدث على عدة مراحل وليس دفعة واحدة. أولاً، انتقل النظام من البلازميد إلى الكروموسوم. وبعد ذلك، تغيرت مكوناته من حيث الحجم والبنية. ثم اكتسب القدرة على الارتباط بأغشية الخلايا. وأخيرا، أصبح تحت سيطرة نظام البروتين الإضافي.

أدت هذه الخطوات معًا إلى تحويل نظام فصل الحمض النووي القديم إلى نظام يشكل الخلية نفسها، مما يسلط الضوء على كيف يمكن للتطور أن يعيد توظيف الآلات البيولوجية الموجودة لإنشاء وظائف جديدة تمامًا.

المرجع: “إعادة استخدام آلية فصل الحمض النووي في نظام هيكلي خلوي يتحكم في شكل الخلية” بقلم بنيامين إل. سبرينجستين، ومانجوناث جي جافور، ودانييلا ميجريان، ورومان هاجدو، وداستن إم. هانكي، وبيتينا زينس، وجريجور إل. فايس، وفلوريان كي إم شور، ومارتن لوس، 16 أبريل 2026، علوم.
دوى: 10.1126/science.aea6343

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.

إقرأ المزيد