كشف علماء معهد وايزمان عن آليات الدفاع لدى أكثر الكائنات مقاومة في العالم للإشعاع الإشعاعي
"سيد الخواتم" هي بكتيريا Deinococcus radiodorans (في الصورة)، وهي أكثر المخلوقات مقاومة على وجه الأرض ضد الإشعاع الإشعاعي. وترجع المقاومة غير العادية للبكتيريا بشكل رئيسي إلى حقيقة أنها تنظم مادتها الوراثية على شكل حلقة. وذلك بحسب دراسة أجراها البروفيسور أبراهام مينسكي من قسم الكيمياء العضوية في معهد وايزمان للعلوم. ويتم نشر نتائج البحث اليوم في المجلة العلمية المرموقة "العلم".
إن "سيد الخواتم" المجهري قادر على الاستمرار والبقاء على قيد الحياة حتى عندما يمتص إشعاعًا بشدته 1.5 مليون راد - وهو ألف ضعف شدة الإشعاع الذي يمكن لأي كائن حي آخر على الأرض أن يتحمله، و3,000 ضعف شدة الإشعاع. الإشعاع الذي يستطيع الإنسان تحمله. والأكثر من ذلك: تبين أنه قادر على هضم المواد المشعة، بشكل يجعله عاملاً فعالاً في تنظيف مواقع النفايات المشعة. وإذا لم يكن كل هذا كافيا، فقد تبين أنها مقاومة بشكل خاص حتى في الظروف القاسية من الجفاف والبرد، وهي ميزة تجعل هذه البكتيريا واحدة من المخلوقات القليلة القادرة على العيش في القطب الشمالي. وكانت المتانة الغريبة لـ "سيد الخواتم" المجهرية محور الجدل في السنوات الأخيرة بين علماء وكالة الفضاء الأمريكية "ناسا" وعلماء روس يزعمون أن "سيد الخواتم" جاء إلى الأرض من الأرض. المريخ، حيث يكون مستوى الإشعاع الإشعاعي أعلى مقارنة بالإشعاع الخلفي للأرض.
تم حل هذا اللغز الذي طال أمده مؤخرًا، عندما وجد البروفيسور أبراهام مينسكي من قسم الكيمياء العضوية في معهد وايزمان للعلوم أن الحمض النووي للبكتيريا المقاومة معبأ بكثافة على شكل حلقة، مما يمنح البكتيريا مقاومتها إلى عوامل خارجية (مثل الإشعاع الإشعاعي) تضر بالمادة الوراثية وتعطل تسلسلها الكيميائي.
قد يؤدي الإشعاع الذي يدمر المادة الوراثية إلى قطع جزيء الحمض النووي. الخلايا الحية، أي البكتيريا والخلايا الموجودة في جسم الإنسان، قادرة على إصلاح عدد قليل فقط من الأضرار في الحمض النووي الخاص بها. البكتيريا الأخرى، على سبيل المثال، قادرة على إصلاح ثلاثة إلى خمسة فقط من الأضرار في الحمض النووي، في حين أن Deinococcus radiodurans قادرة على إصلاح أكثر من مائتي من هذه الأضرار. وقد أدت القدرة الإصلاحية الممتازة - والتي تحسد عليها - لهذه البكتيريا في السابق إلى إثارة فرضية مفادها أن هذه البكتيريا المدهشة تنشط إنزيمات إصلاح فعالة بشكل خاص. لكن سلسلة من التجارب أظهرت أن إنزيماته الإصلاحية تشبه إلى حد كبير تلك الموجودة وتعمل في البكتيريا الأخرى.
باستخدام مجموعة متنوعة من الأساليب المجهرية الضوئية والإلكترونية، وجد أعضاء مجموعة بحث البروفيسور مينسكي أن الحمض النووي لـ Deinococcus radiodorans مرتب في حلقة لا تسمح للقطع المكسورة من الحمض النووي بالانتشار في السائل داخل الخلايا والضياع، كما يحدث في مخلوقات أخرى، بما في ذلك البشر. بمعنى آخر، فإن "سيد الخواتم" الصغير لا يفقد المادة الجينية، ولا يسمح لأجزاء منها بالتشتت. وحتى عندما تنقسم مادته الوراثية إلى أجزاء صغيرة نتيجة للإشعاعات القوية، فإنه يحرص على إبقاء جميع الأجزاء في أماكنها الثابتة، في بنية حلقة كثيفة ومحكمة. بعد ذلك، تمر إنزيمات الإصلاح فوق الحلقة، و"تلحم" الأجزاء الجينية ببعضها البعض وتعيد الوضع إلى الإصلاح.
"كنا نعتقد أن مفتاح اللغز لا يمكن أن يكون في أيدي إنزيمات الإصلاح، التي تضررت أيضًا بسبب الإشعاع. ولذلك، بدأنا بالبحث عن مصدر المقاومة في خصائص أخرى للبكتيريا، حتى فهمنا المعنى الحقيقي لترتيب المادة الوراثية في الحلقة الكثيفة"، كما يقول البروفيسور مينسكي.
وفي دراسات المتابعة، وجد العلماء أن عملية إصلاح الحمض النووي لـ "سيد الخواتم" تتم على مرحلتين. في المرحلة الأولى، يخضع الحمض النووي لعمليات إصلاح داخل الحلقة، لكنه يقوم بعد ذلك بعمل أكثر إثارة للدهشة. Deinococcus radiodorans هو مخلوق وحيد الخلية مقسم إلى أربع "غرف" منفصلة. تحتوي كل غرفة على نسخة من الحمض النووي الخاص بها. عثرت مجموعة بحث البروفيسور مينسكي على ممرين صغيرين يربطان بين الغرف الأربع. كشفت المراقبة الدقيقة لعملية الإصلاح أنه بعد حوالي ساعة ونصف من الإصلاح داخل الحلقة، تبدأ المرحلة الثانية من الإصلاح: يتم تحرير الحمض النووي من بنية الحلقة ويهاجر إلى الغرفة التالية، حيث يتحد مع نسخة الحمض النووي الموجودة هناك. عند هذه النقطة، تبدأ آليات الإصلاح "العادية"، الموجودة لدى الإنسان والمخلوقات الأخرى، في العمل: تقوم إنزيمات الإصلاح بمقارنة نسختين من المادة الوراثية، باستخدام كل منهما كنسخة احتياطية للمعلومات المفقودة في الأخرى. وبما أن الحمض النووي قد خضع بالفعل للمرحلة الأولى من الإصلاح، والتي تم خلالها إصلاح العديد من الأجزاء، فإن المرحلة الثانية يتم تنفيذها بسهولة نسبيًا.
أثار اكتشاف الحشوة الحلقية الكثيفة حيرة كبيرة في مجموعة البروفيسور مينسكي: كيف يمكن لأي مخلوق أن يعمل عندما تكون مادته الوراثية معبأة في مثل هذه العبوة الضيقة؟ لأداء وظيفتها الأساسية، يجب أن تتفكك خيوط الحمض النووي وتسمح بتكوين الحمض النووي الريبي المرسال الذي يعد الخطوة الأولى على طريق إنتاج البروتين. ولكن كيف يمكن التراجع عنها وهي مكدسة بإحكام لدرجة أنها تكاد تكون غير قادرة على الحركة؟ أدى هذا السؤال إلى اكتشاف تقنية أخرى للبقاء على قيد الحياة للبكتيريا: من بين النسخ الأربع من الحمض النووي الموجودة في كل بكتيريا، هناك دائمًا نسختان أو ثلاث موجودة في البنية الحلقية بينما تكون النسخ الأخرى حرة في الحركة. وهكذا، في أي لحظة هناك نسخ من الحمض النووي يمكنها التعبير عن نفسها وتكوين البروتينات، في حين أن النسخ الأخرى تكون معبأة في الحلقة الضيقة، وهي غير نشطة، ولكنها تمنح البكتيريا مقاومتها المعجزة.
ويعتقد البروفيسور مينسكي وعلماء آخرون أن السمات الفريدة لـ "سيد الخواتم"، والتي تمنحه القدرة على الصمود والبقاء، تطورت على الأرض نتيجة البيئة القاسية التي تطور فيها، في مناطق شديدة الجفاف، حيث لا يوجد تقريبًا أي شكل آخر من أشكال الحياة. وبعبارة أخرى، فإن الآلية التي تم تطويرها لمنح البكتيريا القدرة على تحمل الظروف الجافة الشديدة أعطتها أيضًا القدرة على البقاء في ظروف الإشعاع القوي.
إن فهم الطريقة التي يوفر بها تنظيم المادة الوراثية في حلقة ضيقة مقاومة للظروف القاسية، قد يساعد في فهم آليات حماية المادة الوراثية في الأنظمة الأخرى، مثل خلايا الحيوانات المنوية البشرية وأبواغ البكتيريا المختلفة - التي يكون حمضها النووي أيضًا منظمة على شكل حلقة. ومع ذلك، لسوء الحظ، لا ينبغي للمرء أن يتوقع أن تؤدي النتائج إلى حماية البشر من الإشعاع الإشعاعي. يقول البروفيسور مينسكي: "إن مادتنا الجينية منظمة بشكل أساسي بطريقة مختلفة".
