قوتنا في وحدتنا

وأظهر علماء المعهد أن البكتيريا التي تتجمع في هياكل كبيرة تسمى "البيوفيلم"، تستخدم كربونات الكالسيوم التي تنتجها البكتيريا لحماية الهيكل وتكوين ما يشبه الهيكل العظمي لها الذي يمنح الهيكل الحماية. إن تطوير طريقة لاختراق هذه الطبقة الواقية قد يساعد في محاربة البكتيريا التي طورت مقاومة للمضادات الحيوية

لماذا تطور البكتيريا مقاومة للمضادات الحيوية عندما تتحد معًا في مجموعات تعاونية كبيرة تسمى "الأغشية الحيوية"؟ يقدم العلماء في معهد وايزمان للعلوم تفسيرا مدهشا لهذه الظاهرة: تقوم البكتيريا ببناء نوع من الحصن الصلب حول مستعمرتها، مما يصد الأدوية، ويسمح للبكتيريا الموجودة داخل "الجدار" بالدفاع عن نفسها ضد المادة القاتلة. النتائج التي توصلوا إليها - التي تم نشرها مؤخرا في المجلة العلمية الأغشية الحيوية والميكروبيوم من المنزل الطبيعة - قد يساعد العلماء على تصميم طرق أكثر فعالية لعلاج الأمراض التي تنطوي على البكتيريا التي طورت مقاومة للمضادات الحيوية بهذه الطريقة.

الدكتورة إيلانا كولودكين غالوسعى كبير المتدربين الدكتورة يارا أوبنهايمر شانان، من قسم علم الوراثة الجزيئية في معهد وايزمان للعلوم، إلى فهم كيف تطور البكتيريا التي تعيش في الأغشية الحيوية مقاومة للمضادات الحيوية. وقاموا بالتعاون مع أعضاء آخرين في مجموعة البحث بزراعة بكتيريا شائعة، والتي شكلت أغشية حيوية كبيرة ومستقرة. ثم تمت زراعة البكتيريا في ظل ظروف مختلفة وعلى مستويات مختلفة من توافر الكربون. وفي وقت لاحق، استخدم الباحثون حمض الهيدروكلوريك لإزالة المادة العضوية من المستعمرة. وكان المنتج النهائي للعملية الكيميائية عبارة عن هيكل عظمي معدني، وهو هيكل يتكون من كربونات الكالسيوم، وهي المادة الصلبة التي يمكن العثور عليها على السطح الخارجي للشعاب المرجانية ونجوم البحر.

في الخطوة التالية، قام العلماء بفحص المستعمرات البكتيرية باستخدام نظام رسم الخرائط المحوسب (CT)، مما سمح لهم بتصور البنية ثلاثية الأبعاد لهياكل المستعمرات البكتيرية. يقول الدكتور كولودكين غال: "عادةً ما يتم استخدام مثل هذه الخرائط لاكتشاف الهياكل التي تتناسب مع حجم عظام الحيوانات". أصبحت طريقة البحث هذه ممكنة بفضل الباحث المشارك الدكتور فلاد برومفيلد، من قسم البنية التحتية للبحوث الكيميائية، الذي قام بتكييف الطريقة مع سؤال البحث.

وأظهرت هذه الاختبارات وغيرها أن كربونات الكالسيوم التي تنتجها البكتيريا، تعمل في نفس الوقت على حماية الغشاء الحيوي وتكوين هيكل عظمي له. قام العلماء بتعريض الأغشية الحيوية لمركب الإيثانول العضوي (والسام)، ووجدوا أن الهياكل الأكثر تحصينًا كانت أكثر مقاومة بمقدار 40 مرة من البكتيريا التي لم يتم دمجها في الأغشية الحيوية. بالإضافة إلى ذلك، اكتشف العلماء أن الهياكل المعدنية خلقت نوعًا من "السقالات" في الهندسة المعمارية النموذجية لهذه المستعمرات: تسمح هذه السقالات للمستعمرة البكتيرية بالنمو من خلال توسيع مساحة السطح، بل وتساعد المستعمرة على تلقي المزيد من الأكسجين والحصول على التخلص من ثاني أكسيد الكربون.

يقول الدكتور كولودكين غال: "من الممكن أن تنتج الأغشية الحيوية الهياكل الصلبة بطريقة مشابهة لتلك التي يبني فيها المرجان الشعاب المرجانية". "كل بكتيريا تنتج وتفرز حبيبات من كربونات الكالسيوم بناء على تواصلها مع جيرانها، وحسب إحساسها ببيئتها. وهكذا تم إنشاء البنية المعقدة، حتى في غياب مخطط أو مشرف".

ولكن كيف تؤدي الجينات البكتيرية المسؤولة عن التمعدن الحيوي إلى تكوين هياكل الأغشية الحيوية الصلبة؟ وتعتزم الدكتورة كولودكين-جال وأعضاء مجموعتها مواصلة التحقيق في هذه الظاهرة، بالتعاون مع البروفيسور ستيف وينر والبروفيسور ليا إيدي من قسم البيولوجيا الهيكلية في المعهد.

ويهدف أعضاء مجموعة البحث الآن إلى اكتشاف كيفية اختراق هذه الهياكل. يقول الدكتور كولودكين-جال: «إن أهمية هذا السؤال يمكن استخلاصها من حقيقة أن الأغشية الحيوية التي تنتجها بكتيريا السل، على سبيل المثال، لا تساهم في أن يكون العلاج فعالاً إلا إذا استمر لمدة ستة أشهر على الأقل. بينما يصبح المرض مقاومًا لأنواع مختلفة من المضادات الحيوية. إذا تمكنا من منع البكتيريا من الاختباء خلف تلك الهياكل، فقد نتمكن من قتلها بسرعة وسهولة ودقة.