الضوء واللون

البروتين الموجود في الكائنات الحية الدقيقة المحبة للملح قادر على نقل الكهرباء بكفاءة عالية. لماذا اهتمت الطبيعة بمنحه هذه الميزة ثم لم يستخدمها؟ 

 
برك تبخر الملح في جنوب خليج سان فرانسيسكو. يتم إنشاء لون الماء نتيجة للتعبير عن البروتينات الموجودة في الكائنات الحية الدقيقة Lobacterium salinarum
تستخدم الطبيعة التطور لهندسة كل مكون بيولوجي بدقة وفقًا لوظيفته الفريدة. فالبروتينات، على سبيل المثال، لا ينبغي أن تحتوي على خصائص ليست ضرورية لنشاطها. لكن فريق من العلماء في معهد وايزمان للعلوم اكتشف أن بروتينا معينا، موجودا في الغشاء الخارجي للخلايا الحية، قادر على توصيل تيار كهربائي، وهي خاصية لا يشترط استخدامه في وظيفته الطبيعية.
وتوصل العلماء إلى هذا الاكتشاف المفاجئ في سلسلة من التجارب التي أجروها على بروتين بكتيريورودوبسين الذي عزلوه من الغشاء الخارجي لبكتيريا Lobacterium salinarum، وهي كائنات دقيقة محبة للملح، مثل النباتات، في عملية التمثيل الضوئي تحول ضوء الشمس إلى مواد تستخدم لإنتاج الملح. الطاقة التي يحتاجها لاستمرار العمليات الحياتية. يوجد في شبكية العين بروتينات مماثلة تسمى رودوبسين، والتي تمتص الضوء وتحوله، لكن ناتج تحويلها ليس طاقة، بل إشارات عصبية. وفي كلا النوعين من البروتينات - تلك الموجودة في العين وتلك الموجودة في الكائنات الحية الدقيقة - يقع أصل هذه التحويلات في قسم من البروتين يسمى الشبكية المشتق من فيتامين أ. وقال فريق العلماء الذي ضم البروفيسور مردخاي (مودي) شافيز، عميد كلية الكيمياء في معهد وايزمان للعلوم، والبروفيسور ديفيد كان من قسم المواد والسطوح، والدكتور يونغ دونغ جين والدكتور نيغا فريدمان من قسم الكيمياء العضوية، باكتشاف ذلك. إن البكتيريا رودوبسين قادرة على نقل تيار أقوى بعشرات الآلاف من المرات مما يمكن توقع مروره عبر البروتين، وأن الجزء الشبكي في البروتين يلعب دورًا حيويًا في توصيل التيار الكهربائي.
ووجد العلماء أن نقل الإلكترونات يتأثر بامتصاص الضوء. تتوافق هذه النتيجة مع المعرفة السابقة، بأن امتصاص البروتين للضوء ينشط نوعًا من التبديل الكيميائي: رابطة كيميائية مزدوجة موجودة في الشبكية تغير شكل الجزيء، وتنقل جزءًا من الجزيء من أحد جانبي الرابطة إلى الجانب الآخر. آخر. ووجد الباحثون أنه بعد حدوث التغيير في جزيء الشبكية، تتضاعف قدرة البروتين على نقل التيار الكهربائي. وعندما استبدل العلماء الشبكية بجزيء آخر غير قادر على الخضوع للتغير الكيميائي نتيجة امتصاص الضوء، لم تزداد التوصيلية الكهربائية للبروتين.
تثير هذه النتائج تساؤلات بشأن سير التطور. البروفيسور شافيز: "لماذا اهتمت الطبيعة بإنشاء وصيانة مثل هذه الطريقة الفعالة لنقل الإلكترونات، ثم لم تستخدمها؟ هل هذه مصادفة أم أن الطبيعة درست إمكانية استخدام هذه الخاصية للبروتين ثم امتنعت لسبب ما عن استخدامها (توجد بروتينات معروفة تختلف كثيراً عن البكتريودوبسين ولها قدرة عالية التطور على نقل الإلكترونات)؟ وإذا كان الأمر كذلك فلماذا تم استبعاد هذا الاحتمال؟". هذه الأسئلة تشغل العلماء، ومن الممكن أن تتمكن الدراسات المستقبلية من إلقاء الضوء على بعضها. 
أسلوب حياة المدقع اسمها الرسمي هو Lobacterium salinarum. هذه الكائنات الحية الدقيقة، التي تحمل بروتين بكتيريورودوبسين في غشائها، لا تنتمي إلى نوع من البكتيريا، ولكنها جزء من "نظام" خاص، يسمى العتائق. أعضاء هذه المجموعة هي كائنات وحيدة الخلية، معظمها مثل Lobacterium salinarum،
هي كائنات قديمة جدًا من الناحية التطورية، وتعيش في العديد من الأماكن التي تتميز بظروف قاسية: الينابيع الكبريتية في الأرض
المحيط، طبقات النفط في الأرض، المستنقعات التي تعاني من نقص الأكسجين، وينابيع المياه
الغليان، في أعماق الطبقة الجليدية في القطب الجنوبي، في البيئات الحمضية أو
وخاصة القلوية، وفي الجهاز الهضمي غنية بغاز الميثان للحيوانات.
على سبيل المثال، تعيش بكتيريا Halobacterium salinarum وتزدهر في المياه المالحة. البروتينات الملونة الموجودة في الغشاء الخارجي لبكتيريا Lobacterium salinarum تعطي أحيانًا مياه البحيرات المالحة حيث تعيش الكائنات الحية الدقيقة لونًا بيضاويًا أو ورديًا.

 
 
بروتين بكتيريورودوبسين، الموجود في الكائنات الحية الدقيقة Lobacterium salinarum ويشبه في عمله بروتين رودوبسين. في الوسط: الشبكية

أسلوب حياة المدقع
 اسمها الرسمي هو Lobacterium salinarum. هذه الكائنات الحية الدقيقة، التي تحمل بروتين بكتيريورودوبسين في غشائها، لا تنتمي إلى نوع من البكتيريا، ولكنها جزء من "نظام" خاص، يسمى العتائق. أفراد هذه المجموعة كائنات وحيدة الخلية، معظمها مثل Lobacterium salinarum، قديمة جداً من الناحية التطورية، وتعيش في العديد من الأماكن التي تتميز بظروف قاسية: الينابيع الكبريتية في قاع المحيط، طبقات النفط في مكثفات الأرض، والمستنقعات التي تعاني من نقص الأكسجين، وينابيع الماء المغلي، وفي أعماق الغطاء الجليدي في القطب الجنوبي، وفي البيئات الحمضية أو
وخاصة القلوية، وفي الجهاز الهضمي غنية بغاز الميثان للحيوانات.
على سبيل المثال، تعيش بكتيريا Halobacterium salinarum وتزدهر في المياه المالحة. البروتينات الملونة الموجودة في الغشاء الخارجي لبكتيريا Lobacterium salinarum تعطي أحيانًا مياه البحيرات المالحة حيث تعيش الكائنات الحية الدقيقة لونًا بيضاويًا أو ورديًا.