على البكتيريا والإشعاع

حول الإشعاع والبكتيريا إحدى وسائل التخلص من البكتيريا غير المرغوب فيها هي الإشعاع القاتل، ولكن هناك بكتيريا تستخدم هذا الإشعاع بشكل غير مباشر كمصدر للطاقة، وأخرى تقاوم مستويات الإشعاع "خارج هذا العالم"

إذا نظرت من خلال النافذة الزجاجية إلى غرفة العمليات الحديثة، عندما تكون خالية من الناس، ستلاحظ أنها مضاءة بالضوء الأرجواني. يأتي هذا الضوء من المصابيح المثبتة في الغرفة، والتي تنبعث منها أيضًا الأشعة فوق البنفسجية (والتي في حد ذاتها غير مرئية).

تضاء هذه المصابيح عندما تكون الغرفة فارغة، وذلك لتدمير جميع الكائنات الحية الدقيقة التي لم يدمرها التطهير بوسائل أخرى. توجد أيضًا مرافق الأشعة فوق البنفسجية في خزائن السلامة البيولوجية - خلايا خاصة تستخدم للعمل مع البكتيريا والفيروسات الخطيرة - حيث يتم استخدامها لتطهير المرافق بعد العمل.

يمكن أن يكون الإشعاع قاتلاً لجميع الكائنات وليس فقط للكائنات الحية الدقيقة. على الرغم من أننا نستخدم الإشعاع لتدمير الكائنات وحيدة الخلية، إلا أنها أقل حساسية للإشعاع من الكائنات متعددة الخلايا. ومقياس هذه المادة هو LD50 (الجرعة المميتة 50)، أي جرعة الإشعاع التي تقتل 50% من السكان. في البكتيريا، عادة ما يكون LD50 أعلى بعشر مرات من ذلك الذي يقتل الكائنات متعددة الخلايا (مثل البشر).

وخارج المستشفيات، تُستخدم إشعاعات جاما لتعقيم نوعين من المنتجات - الإمدادات الطبية، مثل الأدوات الجراحية، ومواد الخياطة، وأدوات المختبرات التي تستخدم لمرة واحدة، والأدوية، والمحاقن، والقفازات، والقسطرة؛ والمنتجات الغذائية، بما في ذلك منتجات اللحوم والدواجن، وأبرزها اللحوم المفرومة والخضروات والبهارات.

على اليمين: تلوين جيمسا لبكتيريا Deinococcus radiodurans الرباعية من خلال المجهر الضوئي. الكروموسومات ملونة باللون الأسود. على اليسار: مقطع من الرباعية البكتيرية في المجهر الإلكتروني. بإذن من مايكل ج. دالي، جامعة الخدمات الموحدة، بيثيسدا، ماريلاند، الولايات المتحدة الأمريكية

ما هو الإشعاع؟ يمكن تقسيم أنواع الإشعاع الكهرومغناطيسي إلى مجموعتين: الإشعاع غير المؤين والإشعاع المؤين.

للإشعاع غير المؤين أطوال موجية طويلة نسبيًا وتشمل موجات الراديو والتلفزيون والهواتف المحمولة والرادار وأجهزة الميكروويف والأشعة تحت الحمراء والضوء المرئي والأشعة فوق البنفسجية. وهذا الإشعاع يضر بالسطح فقط، ولا يخترق عمق المواد.

يتجلى الإشعاع الجزئي بشكل رئيسي في ظاهرة الاحتباس الحراري. يتم امتصاص الأشعة فوق البنفسجية (ذات الطول الموجي 300-220 نانومتر) بواسطة المادة الوراثية - الحمض النووي - وتتسبب في تكوين ثنائيات (أزواج) من القواعد (الثيمين بشكل أساسي) وتشوهات في البنية. الكثير من التشوهات الهيكلية في الحمض النووي (التي لا تكفي الخلية لإصلاحها) تسبب أخطاء في تكرار الحمض النووي وموت الخلايا.

الإشعاعات المؤينة قاتلة للكائنات الحية، لذلك من الضروري استخدام تدابير الحماية من الإشعاع عندما تكون في منطقة ذات مستوى عالٍ من التعرض. هذا هو الإشعاع ذو الأطوال الموجية الأقصر، والذي يشمل الأشعة السينية (الأشعة السينية) وأشعة جاما (g) والأشعة الكونية. يسبب مثل هذا الإشعاع تغيرات في التركيب الإلكتروني للجزيئات التي يمر من خلالها، ويحفز تكوين الأيونات والجذور الحرة (مثل جذر الهيدروكسيل، OH، وجذر الهيدريد، H.) والإلكترونات الحرة، التي تسبب أضرارًا جسيمة للخلايا. العديد من الجزيئات في الخلايا، وخاصة الحمض النووي. تخترق الإشعاعات المؤينة الأجسام المشععة.

يستخدم إشعاع جاما بشكل رئيسي للأغراض الصناعية. المصادر التجارية لهذا الإشعاع هي النظائر المشعة الكوبالت-60 (60Co) والسيزيوم-137 (137Cs)، وهي منتجات ثانوية لنشاط المفاعل النووي.

وحدات الإشعاع المفيدة عند العمل مع البكتيريا هي الراد والرمادي:

Rad = 100 نسج لكل جرام من المادة المشععة. (أرج = 10-7 جول)

1 رمادي = 100 راد

البيانات: بيولوجيا بروكس للكائنات الحية الدقيقة

الإشعاع الإشعاعي كمصدر للطاقة لموطن فريد من نوعه
اكتشف باحثون من جامعات عديدة، وعلى رأسهم تاليس أونستوت (أونستوت) من جامعة برينستون، في جنوب أفريقيا، على عمق ثلاثة كيلومترات تحت سطح الأرض، موطنا لم يزعجه النشاط البشري حتى الآن، حيث تعيش فيه عدة أنواع تعيش البكتيريا والأثريات.

لا يوجد في هذا الموطن ضوء الشمس، لذلك لا يمكن أن تعتمد السلسلة الغذائية فيه على عملية التمثيل الضوئي. يحتوي هذا الموطن على صخور تحتوي على مركبات اليورانيوم والكبريت المشعة. ولم يتمكن فريق البحث من عزل وتنمية البكتيريا والعتائق من هذا الموطن، لكنه تمكن من التحقق من وجودها من خلال تحديد تسلسل 16S-RNA باستخدام تفاعل البوليميراز المتسلسل. وجد الفريق أن البكتيريا الرئيسية (حوالي 88%) في الموطن هي بكتيريا من مجموعة Firmicutes، وهي قريبة وراثيًا من البكتيريا المحبة للحرارة (المحبة للحرارة) التي تقلل الكبريت.

وبعد فحص المستقلبات في البيئة، توصل الباحثون إلى أن البكتيريا تمتص بشكل غير مباشر الطاقة الإشعاعية المنبعثة من اليورانيوم، مما يسبب تحلل جزيئات الماء وانبعاث الهيدروجين الجزيئي (H2). تقوم البكتيريا بأكسدة الهيدروجين الجزيئي باستخدام الكبريت، والطاقة المنطلقة في هذه العملية هي التي تغذيها هي والبكتيريا والعتائق الأخرى في النظام، والتي من المحتمل أن تتغذى بواسطة البكتيريا نفسها أو عن طريق المنتجات التي تفرزها في البيئة.

البكتيريا المقاومة للإشعاع "من خارج هذا العالم"
في عام 1956، في مصنع لتعليب اللحوم في ولاية أوريغون، الولايات المتحدة، فسد الطعام في عدة علب مشععة بأشعة غاما. في الصناديق المشععة، عثر الباحثون آرثر أندرسون وزملاؤه من محطة أوريغون للأبحاث الزراعية على بكتيريا تُعرف الآن باسم Deinococcus radiodurans (في اليونانية، تعني كلمة Deinos "غريب"). وتبين أن البكتيريا مقاومة لمستويات إشعاع تبلغ 10,000 جراي.

للمقارنة، مستوى الإشعاع من 5-6 غراي يعتبر مميتًا للإنسان ومستوى الإشعاع من 1,000 غراي سيعقم محلول بكتيريا الإشريكية القولونية (للحصول على أمثلة أخرى، انظر الجدول). يزعم الباحثون كينيث مينتون (مينتون) ومايكل دالي (دالي) من جامعة الخدمات الموحدة في ماريلاند أن مثل هذه المستويات العالية من الإشعاع لم تكن موجودة على الأرض من قبل، ولا حتى في أيامها الأولى.

ومن هذا ينشأ سؤال تطوري مثير للاهتمام. ما هو أصل مقاومة البكتيريا للإشعاع؟ فهل ظهور المقاومة هو أحد الآثار الجانبية لمقاومة الجفاف مثلا؟ أم أن هذه البكتيريا جاءت من مكان ما في الفضاء الخارجي، من مكان تكون فيه مستويات الإشعاع عالية للغاية، كما يدعي أتباع نظرية البانسبيرميا، وهي النظرية التي تدعي أن أصل الحياة على الأرض هو في الفضاء الخارجي.

هذه البكتيريا الغريبة مقاومة حتى للظروف الجافة والباردة للغاية. ومقاومتها لهذه العوامل الثلاثة - الإشعاع والبرد والجفاف - أكسبت البكتيريا لقب "أصعب بكتيريا في العالم"، وبهذا اللقب دخلت موسوعة غينيس للأرقام القياسية عام 1995.

وتم تسخير البكتيريا لأغراض تنظيف وتنقية المناطق الملوثة بكل من النفايات الكيميائية والنفايات المشعة، حيث أن الإشعاع الإشعاعي يقتل البكتيريا المعروفة القادرة على تنقية وإعادة تدوير النفايات الكيميائية، وتبقى المنطقة ملوثة.

على الرغم من أن D. radiodurans لا يكسر المذيبات العضوية، مثل التولوين والفينول، إلا أن إدخال الجينات المناسبة في البكتيريا خلق "بكتيريا خارقة" قادرة على تحطيم المذيبات العضوية في بيئة مشعة. أدى إدخال جينات المقاومة وإعادة تدوير المعادن الثقيلة، مثل الزئبق (تحويل أيونات الزئبق السامة إلى زئبق معدني - وهو أقل سمية) إلى إنشاء "بكتيريا إعادة التدوير النهائية".

الهيكل الدائري للحمض النووي لـ Deinococcus radiodurans، مختبر البروفيسور أبراهام مينسكي، معهد وايزمان للعلوم

الإفراط في المقاومة
يؤدي الإشعاع إلى إتلاف المادة الوراثية للبكتيريا، وتستخدم البكتيريا عدة أنظمة إنزيمية لإصلاح الضرر الإشعاعي. ولكن في حين أن البكتيريا العادية يمكنها إصلاح ما يصل إلى حوالي 5 أضرار متزامنة في الحمض النووي، فإن D. radiodurans يمكنها إصلاح أكثر من مائتي. هل أنظمة إصلاح الأضرار الإشعاعية هي السبب في المقاومة المفرطة لهذه البكتيريا؟ - في فحص دقيق لأنظمة إصلاح د. radiodurans

وحتى استبدالها بالإنزيمات الرئيسية المقابلة من E. coli، فقد تبين أن أنظمة الإصلاح ضرورية بالفعل للمقاومة، لكنها ليست مسؤولة عن المقاومة الفائقة للبكتيريا.

تم العثور على حل اللغز في عام 2003، في مختبر البروفيسور آفي مينسكي من معهد وايزمان. وتبين أن الكروموسوم البكتيري معبأ في بنية ضيقة تشبه الحلقة، مما لا يسمح لشظايا الحمض النووي التي تنشأ بسبب الضرر الإشعاعي، والتي تنبعث من الكروموسوم، بالوصول إلى السيتوبلازم وتختفي هناك (وانظر : أديفا باروخ، "ثلاث حلقات محفوظة، واحدة عاملة"، قسم الأخبار، "جاليليو" ٥٤). وهذا يسمح لأنظمة الإصلاح بإصلاح الضرر بسهولة نسبية، حيث يجب إعادة ربط قطع الحمض النووي المكسورة، وليس إعادة إنتاجها. هذه الحقيقة هي ما يمنح البكتيريا مقاومة عالية للإشعاع.

وليس هذا فحسب: فقد تبين أن الرباعيات المرصودة تحت المجهر ليست رباعيات بكتيرية، بل هي بكتيريا واحدة تحتوي على أربع نسخ من المادة الوراثية، كل منها في حجرة خلية منفصلة. يتم دائمًا تعبئة نسختين على الأقل في بنية الحلقة ويتم استخدامها كنسخة احتياطية، بينما يتم "تحرير" إحدى النسختين الأخريين أو كلتيهما من بنية الحلقة ويتم استخدامها بواسطة أنظمة النسخ والترجمة. في حالة تلف إحدى النسخ، يتم إصلاحها بواسطة إنزيمات الإصلاح، وبعد ذلك مباشرة يتم "تحرير" أحد الهياكل الحلقية في القسم المجاور ويمر الكروموسوم "المحرر" عبر فتحة خاصة إلى القسم الذي يتم فيه "الإصلاح". "يتم تحديد موقع الكروموسوم لغرض مقارنة وإعادة إنتاج المعلومات الوراثية.

لتلخيص، نستخدم الإشعاع القاتل لمختلف مشاكله لقتل البكتيريا غير المرغوب فيها الموجودة في المنتجات الطبية والأغذية، وذلك عن طريق إتلاف الحمض النووي الخاص بها. لكن هناك بكتيريا ومخلوقات أخرى تدين بوجودها للإشعاع المشع، كمصدر (غير مباشر) للطاقة. هناك بكتيريا أخرى مقاومة للغاية للإشعاعات المؤينة بفضل التغليف الدائري الخاص للحمض النووي، وهي قادرة على إعادة تدوير وتنقية المواد الكيميائية السامة في المناطق الملوثة.

يقوم الدكتور درور بار نير بتدريس علم الأحياء الدقيقة وبيولوجيا الخلية في الجامعة المفتوحة

لمزيد من القراءة: المقال في العلوم يصف الموطن الخاص في جنوب أفريقيا:
الاستدامة طويلة المدى لمنطقة حيوية قشرية عالية الطاقة ومنخفضة التنوع، لين وآخرون، العلوم 20، أكتوبر 2006: 479-482.

المقال في العلوم الذي يصف مقاومة Deinococcus radiodurans للإشعاع:
مقاومة الإشعاع، دالي ومينتون، العلوم 24 نوفمبر 1995: 1318.

Deinococcus - الكائن الحي الأكثر استقرارًا على وجه الأرض، Pinchas Fox، Synthesis 13، 1996.

Deinococcus radiodurans - البكتيريا المقاومة للإشعاع، درور بار نير، 2003.

كشف علماء معهد وايزمان عن آليات الدفاع لدى أكثر كائنات العالم مقاومة للإشعاع الإشعاعي، 2003.

اطار:

دينوكوكوس راديودورانس

وهي بكتيريا هوائية إيجابية الجرام، ذات لون وردي. ينتمي إلى قسم الداينوكوكاليس.

بالإضافة إلى مقاومتها للظروف القاسية، فإن هذه البكتيريا أيضًا غريبة من حيث أنها البكتيريا الوحيدة التي تصبغ بشكل إيجابي في صبغة جرام، وهي لا تنتمي إلى القسمين اللذين يشملان جميع البكتيريا الأخرى موجبة الجرام (Firmicutes و Actinobacteria) ). كشف الفحص الدقيق لبنية قشرتها أن بنيتها الأساسية هي بنية البكتيريا سالبة الجرام، لكن إضافة عدة طبقات تنفرد بها هذه البكتيريا هي التي تمنع اللون من غسل البكتيريا.

ولسنوات طويلة ظل الباحثون يزعمون أن وجود الأصباغ في البكتيريا بشكل عام يساعدها على حماية نفسها من الإشعاع. تجربة بسيطة (نسبيًا) - عزل طفرات البكتيريا عديمة اللون وتعريضها لمستويات عالية من الإشعاع - دحضت هذا الادعاء. الطفرات عديمة اللون مقاومة للإشعاع مثل السلالة البرية الوردية.