من خلال تجارب "التطور في المختبر"، أظهر علماء معهد وايزمان للعلم ما يحدث عندما تقوم البكتيريا بنسخ المعلومات الوراثية من جيرانها
تخيل طالبًا جاء إلى الاختبار غير مستعد تمامًا، ويمكنه الآن الاختيار بين مسارين مشكوك فيهما: نسخ الإجابات من طالب متفوق لا يتحدث لغته، أو نسخ من طالب متوسط المستوى إلى حد ما يكتب بنفس اللغة. بكتيريا خضعوا لاختبار مماثل في مختبر البروفيسور الفلفل الحار في قسم الوراثة الجزيئية في معهد وايزمان للعلوم. كان الغرض من الاختبار هو معرفة ما إذا كانوا "ينسخون" المعلومات الجينية من الآخرين - وإذا كان الأمر كذلك، فمن من؟
التكاثر الجنسي هو الطريقة الأكثر شيوعًا في الطبيعة لإنشاء مجموعات وراثية جديدة بين السكان. ومع ذلك، منذ بضعة عقود مضت، اكتشف العلماء أن البكتيريا، التي تتكاثر من خلال التكاثر اللاجنسي، يمكنها إنشاء مجموعات وراثية جديدة من خلال "نقل الجينات الأفقي". بينما في التكاثر الجنسي، المعروف أيضًا باسم النقل العمودي، يتم خلط الجينات ونقلها من الآباء إلى ذريتهم، في النقل الأفقي، يتم نقل الحمض النووي بين الأفراد الذين لا يرتبطون ببعضهم البعض ويمكن أن ينتموا حتى إلى نوع آخر. "وهذا مشابه إلى حد ما لكيفية تطور اللغات من خلال اكتساب الكلمات من اللغات الأخرى؛ على سبيل المثال، الطريقة التي تسللت بها الكلمات باللغتين العربية والإنجليزية إلى اللغة العبرية"، يقول البروفيسور بيبر.
إذا واصلنا القياس اللغوي، فإن تحديد الجينات ذات الأصل الأجنبي في جينوم معين يشبه محاولة العثور على كلمة نشأت في لغة أجنبية بين عشرات الآلاف من المدخلات في القاموس - وهو ليس تحديًا سهلاً على الإطلاق. واجه فريق البحث بقيادة الدكتورة أورنا ديهان والطالبين شاي سلومكا دي أوليفار وإيتامار فرانسواز التحدي باستخدام منهج البحث المعروف باسم "التطور في أنبوب الاختبار". كان الإعداد التجريبي الذي خططوا له بسيطًا للغاية: لقد قاموا بزراعة البكتيريا العصوية الرقيقة في ظروف الملوحة التي لم يعتادوا عليها. وأضافوا إلى أنبوب الاختبار الحمض النووي من مصدر أجنبي لاختبار ما إذا كانت البكتيريا ستنسخه وتدمجه في الجينوم الخاص بها في محاولة لمواجهة التحدي المالح. على سبيل المثال، تم وضع عينات الحمض النووي للآثار (البكتيريا القديمة) التي تعيش في البحر الميت أو البكتيريا من البحر الأبيض المتوسط في أنابيب الاختبار - وهي أنواع ليست من أقارب البكتيريا الموجودة في المحلول، ولكنها بالتأكيد خبراء في البقاء على قيد الحياة في ظروف ملوحة عالية. تم استخراج مصدر آخر للحمض النووي الذي تم وضعه في أنابيب الاختبار من أقارب العصوية الرقيقة والتي تكيفت مؤخرًا مع ظروف الملوحة العالية من خلال العمليات التطورية في المختبر.
تابع العلماء المجموعات البكتيرية التي تطورت في أنابيب الاختبار لأكثر من 500 جيل، وتمكنوا من تحديد أحداث النقل الأفقي. يقول الدكتور ديهان: «في إحدى الحالات المفاجئة بشكل خاص، تم استبدال ما يصل إلى 2% من جينوم البكتيريا في أنبوب الاختبار من خلال النقل الأفقي». ومع ذلك، اكتشف العلماء أن البكتيريا "تنسخ" فقط من البكتيريا التي "تتحدث لغتها" - أي من أقاربها (ليس أي منهم جيدًا بشكل خاص في التعامل مع الملوحة العالية)، ولم تنسخ على الإطلاق من الخبراء. للتعامل مع الملوحة، لأن جينومهم ربما كان غريبًا جدًا وغير قابل للقراءة بالنسبة لهم. كما رأى العلماء أن التغيرات التي طرأت على الجينوم نتيجة النقل الأفقي حسنت قدرة البكتيريا على مواجهة تحدي الملوحة مقارنة بنظيراتها في المجموعات الضابطة. ومع ذلك، فإن العلماء لا يستبعدون احتمال أن بعض الجينات المنقولة على الأقل لم تساهم في تحسين قدرة البكتيريا على البقاء.
"إن ثمن النقل الأفقي مرتفع، لأنه ينطوي على مخاطر الجمع بين الجينات الضارة. يوضح البروفيسور بيبر حقيقة أنه على الرغم من ذلك، فإن بعض عمليات النقل "بقيت" عبر الأجيال في عدة تكرارات مستقلة لنفس التجربة، تشير إلى أن هذه التغييرات في الجينوم أعطت البكتيريا ميزة تطورية. "بالإضافة إلى ذلك، على عكس الطفرات الجينية التي تحدث واحدة تلو الأخرى، رأينا في التجارب موجة من التحولات الأفقية التي حدثت في وقت واحد في مناطق معينة من الجينوم. تشير هذه النتائج إلى أن النقل الأفقي هو نوع من "الاختصار" للتكيف التطوري."
قد يكون لنتائج البحث أيضًا تأثير على الصناعات الطبية والتقنية الحيوية في المستقبل. على سبيل المثال، النقل الأفقي هو الآلية الرئيسية لانتشار مقاومة المضادات الحيوية في البكتيريا. إن فهم العملية التي يتم من خلالها نقل الجينات المسؤولة عن مقاومة المضادات الحيوية من نوع من البكتيريا إلى نوع آخر، قد يجعل من الممكن التعامل بشكل أفضل مع انتشار الجينات التي تمنح المقاومة للمضادات الحيوية. كما يمكن أيضًا استخدام النقل الأفقي في صناعة التكنولوجيا الحيوية لتطوير سلالات جديدة من البكتيريا لتطبيقات مختلفة، مثل تحلل البلاستيك، أو لأغراض بيئية أخرى.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
