معضلة السجين البكتيريا

يجب على السياسيين والاقتصاديين أن يتعلموا من عملية صنع القرار في البكتيريا تحت ظروف الضغط، وهي العملية الموصوفة في دراسة أجرتها مجموعة بقيادة البروفيسور إيشيل بن يعقوب من جامعة تل أبيب، نُشرت يوم أمس (الثاني) في المجلة العلمية PNAS

تتم عملية صنع القرار دائمًا تحت الضغط. يعلم الجميع ضرورة محاولة تأجيل القرارات المهمة حتى اللحظة الأخيرة، ولكن يبدو أن هناك كائنات تفعل ذلك بشكل أفضل منا ولدينا شيء نتعلمه منها - البكتيريا.

في مقال نشر اليوم (الاثنين) في المجلة العلمية PNAS (سجلات الأكاديمية الوطنية الأمريكية للعلوم)، البروفيسور إيشيل بن يعقوب من كلية ريموند وبيفرلي ساكلر للفيزياء وعلم الفلك بجامعة تل أبيب وزملاؤه من معهد الفيزياء البيولوجية النظرية بجامعة كاليفورنيا في سان دايك، أنه حتى بالنسبة للبكتيريا، فإن الحياة معقدة ومرهقة في نفس الوقت. كيف يتعاملون مع الشدائد؟ هل يمكن وصف استراتيجيات المواجهة هذه على المستوى الجزيئي؟

تعيش البكتيريا في مستعمرات كبيرة قد يصل عدد البكتيريا فيها إلى 100 ضعف عدد سكان الأرض. أظهر البحث الجديد كيف تتواصل البكتيريا الموجودة في المستعمرة في حالة التوتر من خلال الرسائل الكيميائية حيث تخضع كل بكتيريا لعملية صنع قرار معقدة. عملية يستخدم فيها شبكة معقدة من الجينات والبروتينات لإجراء حسابات احتمالية معقدة باستخدام نظرية اللعبة.

تستجيب العديد من البكتيريا للإجهاد مثل الجوع والسموم وتلف الحمض النووي وما إلى ذلك عن طريق تكوين الجراثيم - وهي نسخ نائمة ومقاومة للغاية من البكتيريا التي يمكن أن تتطور وتعود إلى الحياة عندما تتغير الظروف نحو الأفضل. ويشارك في هذه العملية أكثر من 500 جينة، وفي البكتيريا التي تم اختبارها - Bacillus subtilis، تستمر العملية حوالي عشر ساعات. وتنتهي العملية بموت الخلية الأم عندما يتحلل الحمض النووي الأصلي للبكتيريا، بينما يتم نسخه في بوغ، وهي عملية غير موجودة في الكائنات العليا - حيث لا يوجد سوى خيارين - الحياة أو الموت . ومع ذلك، فإن جزءًا صغيرًا من البكتيريا ينتقل إلى حالة أخرى تُعرف باسم COMPTEENCTE (في الترجمة الحرة - القدرة). هذا نوع من الحالة المتوسطة حيث يتم تغليف الحمض النووي بقشرة تسمح له بامتصاص المواد من البيئة ولكنها ليست جراثيم بعد.

في مثل هذه الحالة، يمكنهم امتصاص الحمض النووي للبكتيريا التي أصبحت جراثيم وانتشرت في البيئة والبحث، على سبيل المثال، عن تسلسلات مقاومة للمضادات الحيوية (إذا كانت العدوى ناجمة عن المضادات الحيوية) أو استهلاكها كغذاء (إذا كانت العدوى ناجمة عن المضادات الحيوية). وكانت العدوى ناجمة عن المجاعة). تسمح هذه الحالة المتوسطة للبكتيريا القليلة التي اختارتها بالبقاء على قيد الحياة حتى لو لم تتغير البيئة، والعودة فورًا إلى الحياة الكاملة (بما في ذلك التكاثر من خلال التكاثر) بمجرد عودة الظروف إلى حالتها الطبيعية دون الحاجة إلى أن تصبح جراثيم. ميزة هذه الحالة هي العودة السريعة إلى وضعها الطبيعي، أما العيب - فالموت في حالة عدم تحسن الظروف يكون نهائيًا ويتم فقدان الحمض النووي للبكتيريا إلى الأبد.

تواجه البكتيريا مشكلة، إذا لم تعترف بذلك (أو في حالتها دخلت في حالة "القدرة") فقد تستعيد الحياة إذا تحسنت الظروف، بينما تتغذى في هذه الأثناء على بقايا البكتيريا. أصدقاؤهم الذين قرروا أن يصبحوا جراثيم، ومن ناحية أخرى يموتون إلى الأبد إذا لم يصبح أصدقاؤهم جراثيم ويقرر الجميع قدرة الدولة أو إذا كان الطعام لن يكون كافياً وستزداد ظروف القمع. وفي الواقع، يُظهر البحث أن حوالي 10% فقط من البكتيريا تختار هذه الحالة.

وهنا يأتي دور نظرية اللعبة، وخاصة اللعبة البسيطة داخلها - معضلة السجين. معضلة السجين الكلاسيكية يتم سردها عادةً عن سجينين تم تقديم عرض لهما - إذا اعترف أحدهما بارتكاب جريمة والآخر لم يعترف، فسيتم الحكم على الشخص الذي اعترف بالسجن لمدة عامين، وسيعاقب الشخص الذي لم يعترف بارتكاب جريمة 6 سنوات في السجن. إذا اعترف كلاهما، فسيحكم عليهما بالسجن لمدة 4 سنوات، وإذا لم يعترف أي منهما، فسيتم إطلاق سراحهما. ويبدو أن الإغراء ليس الاعتراف، لكن من المستحيل معرفة ما إذا كان الآخر قد اعترف، وبالتالي فإن السجين الذي لم يعترف يعني أنه قضى وقتاً أطول في السجن.

على عكس معضلة السجين المعتادة حيث يوجد مشاركين اثنين، في نظرية اللعبة الخاصة بالبكتيريا، يمكن أن يصل عدد المشاركين إلى 100 ضعف عدد الأشخاص على الأرض. وثانياً، لديهم وقت محدود لاتخاذ القرار.

يقول البروفيسور بن يعقوب: "هنا معضلة السجين أكثر تعقيدًا"، حيث يتعين على كل بكتيريا أن تقرر ما إذا كانت ستتعاون (بحيث تصبح جميعها أبواغًا) أو لا تتعاون (حالة القدرة) والربح، ولكنها مختلفة عن البكتيريا. اختبار معضلة السجين، هنا هناك ساعة تدق. لديهم ساعة داخلية من جهاز توقيت تقيس المدة التي لديهم حتى يتخذوا القرار بأن يصبحوا بوغًا أم لا، اعتمادًا على السلالة والرسائل الكيميائية التي يتلقونها من البكتيريا الأخرى.

أثناء اتخاذ القرار، ترسل كل بكتيريا رسائل إلى البيئة توضح ما هي نواياها - إذا كانت تنوي تكوين (إنتاج بوغ) أو الكفاءة (القدرة) وتفحص ما هي نوايا البكتيريا الأخرى وما هي مقاومتها. ثم يقرر ما إذا كان سينتقل إلى وضع القدرة أو يحاول إنتاج جراثيم. وبحسب البروفيسور بن يعقوب فإن البكتيريا عادة لا تخدع أصدقاءها وتخبرهم بالوسائل الكيميائية إذا أصبحت بوغاً أو انتقلت إلى حالة الكفاءة، وبالتالي فإن الغشاشين لديهم فرصة للتغلب على النظام. بالإضافة إلى ذلك، فإن البكتيريا التي لا تريد الغش، تؤجل قرارها بمؤقت (تعتمد مدته على شدة التوتر وقد يتغير إذا أصبح التوتر أسوأ أو أسهل)، وفي النهاية ترى ما قرره أصدقاؤها. وفي المقالة الجديدة يتم تقديم نموذج يفك رموز كيفية استخدام البكتيريا لشبكات الجينات والبروتينات المستخدمة لحساب المخاطر ومبادئ نظرية اللعبة التي تعمل بموجبها.

ومعضلة مماثلة يواجهها اليوم العديد من المواطنين الذين يتساءلون هل يجب التطعيم ضد أنفلونزا الخنازير أم لا، بسبب ما يشاع عن خطورة الآثار الجانبية للقاح. على سبيل المثال، قيل إن الحكومة كانت ستطلب من الجميع الحصول على التطعيم في غضون شهر. إذا حصل الجميع على التطعيم، فربما لا ينبغي لنا أن نتلقى التطعيم حتى لا نصاب بالآثار الجانبية (على افتراض وجودها) لأنه على أي حال سيتم إيقاف المرض قبل أن يصل إلينا؟

في هذا الشهر يجب أن نتعرف على نية السكان الآخرين القريبين منا. مستوى التحرش في هذه الحالة هو عدد المرضى في بيئتنا. وكلما زاد هذا العدد، زاد الميل إلى اتخاذ قرار بالتطعيم. من ناحية أخرى، لنفس السبب، سيقرر عدد أكبر من الأشخاص من حولنا التطعيم، ومرة ​​أخرى قد يكون من الأفضل عدم التطعيم لأنه سيتم كبح المرض. لو كنا بكتيريا، لقارنا عدد المصابين ومعدل التطعيمات، وقمنا بالأمثل.

"ما أظهرناه في هذه المقالة هو كيف تقوم البكتيريا بهذه الحسابات المعقدة ووفقًا لأي مبادئ. لقد تعلمنا قاعدة بسيطة - أي شخص مطلوب منه اتخاذ قرار في وقت الضغط، وخاصة قرار الحياة أو الموت، فمن الأفضل أن ينتظر، ويتحقق من اتجاهات التغيير، ويعمل بعمق على فرص ومخاطر المستقبل. على المدى الطويل وعندها فقط يتم الرد." يلخص البروفيسور بن يعقوب.

بقلم آفي بيليزوفسكي