نجح باحثون أميركيون في حل لغز كيفية عودة نشاط البكتيريا الخاملة، مثل الجمرة الخبيثة، والمطثية العسيرة التي تسبب الإسهال والتهاب القولون، وهو ما قد يساعد في تصميم طرق لمنعها من البقاء كامنة لأشهر، حتى سنوات، قبل الاستيقاظ مرة أخرى والتسبب في تفشي المرض.
بكتيريا نائمة
ومنذ وصف علماء الأحياء الجراثيم البكتيرية، وهي البكتيريا النائمة الخاملة، لأول مرة منذ أكثر من 150 عاماً، كانوا مشغولين بكيفية عودتها للحياة من جديد، وهو اللغز الذي نجح الباحثون في كلية الطب بجامعة هارفارد الأميركية في حله، عبر اكتشاف نوع جديد من أجهزة الاستشعار الخلوية التي تسمح للجراثيم باكتشاف وجود العناصر الغذائية في بيئتها، بما يساعدها على العودة إلى الحياة.
وخلال الدراسة المنشورة في 28 أبريل (نيسان) الماضي، في مجلة «ساينس»، وصف الباحثون بالتفصيل آلية الاستيقاظ التي تعتمد على مستشعرات اكتشاف العناصر الغذائية، وقالوا إن هذه المستشعرات تتضاعف كقنوات عبر الغشاء وتبقى مغلقة أثناء السكون، ولكنها تنفتح بسرعة عندما تكتشف العناصر الغذائية، وبمجرد فتح القنوات، تسمح للأيونات المشحونة كهربائياً بالتدفق عبر غشاء الخلية، ما يؤدي إلى تشغيل عمليات التمثيل الغذائي بعد سنوات، حتى قرون، من السكون.
ويقول كبير مؤلفي الدراسة، ديفيد رودنر، أستاذ علم الأحياء الدقيقة بجامعة هارفارد: «الاكتشاف يحل لغزاً مضى عليه أكثر من قرن، وهو كيف تشعر البكتيريا بالتغيرات في بيئتها، وتتخذ الإجراءات اللازمة للخروج من السكون عندما تكون أنظمتها مغلقة تماماً داخل غلاف واقٍ؟».
وللبقاء على قيد الحياة في الظروف البيئية المعاكسة، تدخل بعض البكتيريا في حالة سكون وتصبح جراثيم، مع تعليق العمليات البيولوجية وطبقات من الدروع الواقية حول الخلية، وتسمح هذه الحصون الصغيرة الخاملة بيولوجياً للبكتيريا بالانتظار لفترات المجاعة وحماية نفسها من ويلات الحرارة الشديدة ونوبات الجفاف والأشعة فوق البنفسجية والمواد الكيميائية القاسية والمضادات الحيوية.
ولأكثر من قرن من الزمان، عرف العلماء أنه عندما تكتشف الجراثيم العناصر الغذائية في بيئتها، فإنها تتخلص بسرعة من طبقاتها الواقية وتعيد إشعال محركاتها الأيضية (محركات التمثيل الغذائي)، رغم أن المستشعر الذي يمكّنهم من اكتشاف العناصر الغذائية تم اكتشافه منذ ما يقرب من 50 عاماً، فإن وسائل إيصال إشارة الاستيقاظ، وكيفية تحفيز هذه الإشارة لإحياء البكتيريا ظلت لغزاً.
في معظم الحالات، تعتمد الإشارة على النشاط الأيضي، وغالباً ما تتضمن الجينات التي تشفر البروتينات لتكوين جزيئات إشارات محددة. ومع ذلك، يتم إغلاق جميع هذه العمليات داخل بكتيريا نائمة، ما يثير التساؤل حول كيفية تحفيز الإشارة للبكتيريا النائمة على الاستيقاظ.
يقظة ضارة
في هذه الدراسة، اكتشف رودنر وفريقه أن مستشعر المغذيات نفسه يتجمع في قناة تفتح الخلية احتياطياً للعمل. واستجابة للعناصر الغذائية، يتم فتح القناة، وهي قناة غشاء، ما يسمح للأيونات بالهروب من داخل البكتيريا غير النشطة، وتبدأ سلسلة من ردود الفعل التي تسمح للخلية النائمة بإلقاء درعها الواقي واستئناف النمو.
واستخدم العلماء طرقاً متعددة لمتابعة تقلبات وتحولات اللغز، وقاموا بنشر أدوات ذكاء صناعي للتنبؤ ببنية مجمع أجهزة الاستشعار المطوية بشكل معقد، وهي بنية مكونة من 5 نسخ من نفس بروتين المستشعر، وقاموا بتطبيق التعلم الآلي لتحديد التفاعلات بين الوحدات الفرعية التي تشكل القناة، كما استخدموا تقنيات تعديل الجينات لحثّ البكتيريا على إنتاج مستشعرات متحولة كطريقة لاختبار كيفية أداء التنبؤات المستندة إلى الكومبيوتر في الخلايا الحية.
يقول رودنر: «فهم كيفية عودة البكتيريا النائمة إلى الحياة ليس مجرد لغز محير فكرياً، لكنه لغز له آثار مهمة على صحة الإنسان، إذ إن عدداً من البكتيريا القادرة على الدخول في سبات عميق لفترات من الزمن هي عوامل خطرة، بل مميتة، مثل الجمرة الخبيثة».
ومن مسببات الأمراض الخطيرة الأخرى التي تدخل في سبات هي المطثية العسيرة، التي تسبب الإسهال والتهاب القولون الذي يهدد الحياة، ويحدث المرض الناتج عن المطثية العسيرة عادة بعد استخدام المضادات الحيوية التي تقتل كثيراً من البكتيريا المعوية، لكنها غير مجدية ضد الجراثيم الخاملة، وبعد العلاج، تستيقظ المطثية العسيرة من السكون ويمكن أن تزدهر، وتسبب غالباً عواقب وخيمة.
ويضيف: «فهم كيفية شعور الجراثيم بالمغذيات والخروج السريع من السكون يمكن أن يساعد الباحثين على تطوير طرق لإبقائها محاصرة داخل قشرتها الواقية، وغير قادرة على النمو والتكاثر وإفساد الطعام أو التسبب في المرض».
حل لغز عودة البكتيريا الخاملة إلى الحياة
