يبدو الأمر كما لو أن رقبة الزرافة الطويلة قد انتقلت إلى البطة - وهو نقل جانبي للجينات

على المستويات وحيدة الخلية - البكتيريا والعتائق (البكتيريا "القديمة") - يعد نقل الجينات بين أنواع مختلفة تمامًا أمرًا روتينيًا، كما يقول البروفيسور بيتر جوجراتن من جامعة كونيتيكت، الذي جاء إلى إسرائيل في منحة فولبرايت لإجراء بحث مشترك مع د. أوري جوفنا من تل أبيب

المفهوم الكلاسيكي لعلم الوراثة هو أن الكائنات تنقل من جيل إلى جيل ما ورثته عن والديها بمستوى أو بآخر من الدقة، وهذه الدقة فقط هي التي تنتج التنوع اللازم للتكيف مع البيئة أو التخلص منه عن طريق الانتقاء الطبيعي. وهذا المفهوم خاطئ لأنه يعتمد على افتراض أن التكاثر الجنسي أو التكاثر بالتقسيم (أساسا في النباتات والحيوانات الأقل تطورا) هو الطريقة الطبيعية الوحيدة لنقل الجينات من جيل إلى جيل. على المستويات وحيدة الخلية - البكتيريا والعتائق (البكتيريا "القديمة") - يعد نقل الجينات بين الأنواع المختلفة تمامًا أمرًا روتينيًا.

أنهى البروفيسور بيتر جوغراتن، مدير مختبر المعلوماتية الحيوية وأستاذ البيولوجيا الجزيئية في جامعة كونيتيكت، مؤخرًا إجازة تفرغ لمدة ستة أشهر في قسم الأحياء في جامعة تل أبيب، كجزء من برنامج فولبرايت المرموق، الذي يديره في إسرائيل مؤسسة التعليم الأمريكية الإسرائيلية. وقام بالتعاون مع الدكتور أوري جوفنا من جامعة تل أبيب بدراسة كيفية نقل السمات الجديدة إلى العتائق، والتي كانت موجودة سابقًا في العتائق أو البكتيريا البعيدة عنها وراثيًا.
"حتى التسعينات، كانوا يميلون إلى الاعتقاد بأنه حتى لو كانت هناك عمليات نقل جانبية للجينات هنا وهناك، فإنها كانت في بداية تكوين الحياة، ولكن من حيث المبدأ فإن تطور معظم البكتيريا والكائنات الحية الدقيقة بشكل عام يكون عموديًا - شجريًا -". يحب. تنقسم الخلايا ولا يستمر التطور إلا من خلال تراكم الطفرات. لقد تغير المفهوم كثيرًا عندما أدركوا أن أجزاء الحمض النووي يمكن أن تنتقل من بكتيريا إلى أخرى حتى لو من أنواع بعيدة. وكأن رقبة الزرافة الطويلة تتحول إلى بطة."

توسيع نموذج شجرة الحياة
إن ظاهرة التبادل الجانبي للجينات بين الكائنات من مختلف الأنواع تتطلب التوسع في نموذج شجرة الحياة، وتؤثر على مفهوم الكائن الحي وأقرب أسلافه الجزيئيين وتقدم أمثلة على الانتقاء الطبيعي الذي يعمل على عدة مستويات. إن تبادل الجينات، سواء من خلال طريقة نقل الجينات الجانبية، أو اندماج (تهجين) الأنواع، أو التكافل يحول شجرة الحياة إلى نوع من الشبكة."

"اقترح داروين رسم شجرة الحياة في هيكل المرجان، حيث تكون الفروع الحية على السطح مدعومة بكتلة من الفروع الميتة. في أشجار النشوء والتطور، تندمج شرايين الحياة الجزيئية للكائنات الحية أخيرًا في سلف محظوظ تم العثور على أحفاده في الأنساب الحالية التي تعايشت مع الأنساب المنقرضة. يؤدي تبادل الجينات الجانبية إلى تعقيد عملية إعادة بناء الجد. يمكن أن تنتمي الجينات أو الجينوم بأكمله إلى تواريخ تطورية مختلفة، وحتى النقل غير المتكرر للجينات سيؤدي إلى اندماج سلالات جزيئية مختلفة بعد وجود أسلافها الجزيئية في سلالات حية مختلفة في أوقات مختلفة.

"لسوء الحظ، نرى أن الكائنات يمكن أن تكتسب فجأة السمات التي تحتاجها للعيش في بيئة متغيرة، مثل مقاومة المضادات الحيوية التي يمكن أن تنتقل بين الكائنات البعيدة. ويتم النقل ببساطة عن طريق ربط قطعة من الحمض النووي تشفر هذه القدرة بين البكتيريا من الأنواع المختلفة.

إحدى وظائف النقل الرأسي للجينات هي القدرة على تلقي مجموعات استقلابية جديدة عندما تصبح الجينات التي كانت مشاركة في مسار واحد منخرطة في مسار استقلابي آخر. أحد المسارات التي اكتشفناها تم نقله بهذه الطريقة - قدرة الكائنات الحية الدقيقة على العيش من إنتاج الميثان، في عتائق الميثانوجين، المسؤولة عن إنتاج 40% من الميثان الموجود على الأرض. هناك عتائق تنتج الميثان من حمض الأسيتيك. يمكنهم فعل ذلك لأنهم تلقوا جينات هي من مجموعة بكتيريا بعيدة عنها كلوسترديا، عندما انضمت هذه الجينات إلى الجينات القديمة لإنتاج الميثان (من الهيدروجين و(CO2) بدأت هذه العتائق في إنتاج الميثان بكفاءة أكبر بكثير). البكتيريا) العتائق وحقيقيات النوى (المجموعة التي تنتمي إليها أكثر الكائنات وحيدة الخلية المعقدة، وكذلك جميع الكائنات الأخرى متعددة الخلايا (- هما مجموعتان متباعدتان تطوريًا انفصلتا منذ مليارات السنين - الفرق بين الطيور والثدييات أقل بكثير.

كما جاءت إلينا ميزات أساسية أخرى بهذه الطريقة - عملية التمثيل الضوئي على سبيل المثال. تم دمج جين البكتيريا الزرقاء الذي تعمل فيه إحدى آليات التمثيل الضوئي البدائي داخل البكتيريا الزرقاء من عائلة أخرى لديها آلية ثانية. خلق هذا اللقاء آلية أكثر كفاءة حيث استخدم المخلوق جزيئات الماء للتبرع بإلكترون وإنتاج الأكسجين. أدى هذا اللقاء إلى نشوء الغلاف الجوي الغني بالأكسجين كما نعرفه اليوم وغير مسار الحياة.

البحث في إسرائيل - طفيل جزيئي يخترق الجينات بمساعدة النوى الداخلية المستأنسة

بينما يقوم الدكتور جوجراتن بالتحقيق في النطاق الكامل لانتقال الجينات بين المخلوقات المختلفة: دورها في التاريخ القديم للتطور، والعمليات الطبيعية الموجودة اليوم، في البحث المشترك مع الدكتور جوفنا في جامعة تل أبيب، ينتج الاثنان هذا الاختلاف في المختبر ودراسة نتائجه. إنهم يدرسون طفيلًا جزيئيًا يُعرف باسم الإنتين، والذي يخترق الجينات بمساعدة الإنزيمات النووية الداخلية (الإنزيمات التي تعرف كيفية قطع الحمض النووي) من الإنزيمات النووية الداخلية الموجهة.

"هذه الطفيليات هي أمثلة ممتازة لمفهوم ريتشارد دوكينز عن الجين الأناني - أي فكرة أن الجينات يجب أن تعتبر الانتقاء الطبيعي الوحيد في حد ذاتها. هذه الجينات لها دورة حياتها الخاصة التي تشمل الاختراق والتعشيش والاستقرار في الموقع المستهدف، ثم الاضمحلال والخسارة.

السؤال البحثي الذي أطرحه أنا وزملائي في تل أبيب (بما في ذلك أوري جوفنا، ليلاخ هداني، آدي برزل وآخرين) هو تحت أي ظروف يمكن أن توجد هذه الجينات الطفيلية في مجموعة سكانية معينة. على سبيل المثال، لا يزال الجين الفردي يتبع دورة حياته، لكن تركيز النشاط الطفيلي وصل إلى التوازن.

يوضح الدكتور جوفنا: "إن مجموعة جوغراتن وزملائه من جامعة تل أبيب يدرسون الجينات الطفيلية في العتائق المعزولة من البحر الميت. تقوم هذه الإنزيمات بعمل قطع في الحمض النووي. عندما يقترب الكائن من إصلاح القطع، فإنه يقوم بنسخ الجزء الغريب في هذه العملية ويدخل الكيان الطفيلي في الجينوم الجديد.

لا يمكن قطع هذا الإنزيم في أماكن كثيرة لأنه بخلاف ذلك سيقتل المخلوق، على سبيل المثال لا يمكنه الدخول إلى وسط الحديقة، لأنه سيتداخل مع نشاطه ومن ثم سيموت الطفيل مع مضيفه. ولحل المشكلة، يدخلون فقط داخل مكون الحمض النووي المعروف باسم الإنترون أو الإنتين. تُعرف هذه الجينات الطفيلية أيضًا بنشاطها في الكائنات وحيدة الخلية الأخرى: بالإضافة إلى العتائق، وأيضًا في البكتيريا وفي الميتوكوندريا في الكائنات حقيقية النواة. نحن نحاول علاج هذا الطفيلي العتيق ونرى ماذا ستكون التأثيرات. ولم يتم القيام بذلك حتى الآن في أي مخلوق، ونأمل أن نتمكن من إيجاد الظروف التي يمكننا من خلالها رؤية تأثير إيجابي أو سلبي لإزالة الطفيلي من العتائق".

"في الخطوة الأولى، قمنا بفحص الأنواع التي لا تحتوي على هذا الطفيل ومقارنة كفاءتها التطورية مقارنة بالعتائق الأخرى من نوعها التي تحتوي على الطفيل، أي أيهما ينمو بشكل أسرع. "لم نجد أي تأثير، على ما يبدو أننا لا نعرف ما يكفي عن ظروف نمو العتائق أو بدلا من ذلك، الطفيلي لا يسبب أي ضرر، لأنه يعتني بتكرار نفسه للأجيال القادمة."

وفي الختام، يقول البروفيسور جوغراتن إن النقل الجانبي للجينات، وكذلك التكافل، يوفر آلية لدمج وتوسيع مستوى التنظيم الذي يعمل فيه الانتقاء الطبيعي، ويساهم في الانتقاء على مستوى المجموعة والمجتمع. وتشمل الأعمال الأخرى على الطريق مقارنة جينومات البكتيريا، والبحث عن طرق لرسم خريطة المسار التطوري للجينات والمسارات الأيضية إلى شجرة أو بالأحرى شبكة من الحياة.

البروفيسور جوغراتن معجب بجودة الباحثين الذين يعمل معهم في تل أبيب. ووفقا له، عندما وصل إلى إسرائيل، تفاجأ برؤية النشاط المتبادل بين مجموعات من مجالات مختلفة شائع جدًا في إسرائيل، "في المجموعة التي أعمل معها، هناك باحثون من علوم النبات، وعلوم الحياة، والرياضيات". ، إنه لأمر مدهش أن نرى مدى سهولة قيام الأشخاص من خلفيات علمية مختلفة ومن مجموعات مختلفة بتنفيذ مشروع بحثي. في الجامعات الأخرى غير الموجودة في إسرائيل، يكون الأمر أكثر تعقيدًا، لأنه يجب عليك أولاً إنشاء اتصال بين الأساتذة الذين سيعينون ممثلين نيابة عنهم، وسيستغرق الأمر وقتًا طويلاً لبدء المشروع. هنا العملية سلسة."

"أنا مؤرخ أكثر، مهتم بفهم كيف خلق التطور الحياة التي نراها من حولنا. "أنا أقل عملية، لذلك أنا مهتم بالعمل مع الطلاب الذين سيدخلون لاحقًا في مجالات مثل الهندسة الوراثية ويجعلون هذه الدراسات عملية".

كان البروفيسور بيتر جوغراتن في إسرائيل كجزء من برنامج فولبرايت الأمريكي لتبادل المحاضرين والطلاب. تتم إدارة مشاركة إسرائيل في هذا البرنامج من قبل صندوق التعليم الأمريكي الإسرائيلي.

أصبحت زيارة بروسبر غوغراتن إلى جامعة تل أبيب كزميل في برنامج فولبرايت ممكنة بفضل التمويل الإضافي الذي تلقاه من برنامج إدموند سافرا للمعلوماتية الحيوية.