أخيرا وبعد 50 عامًا... العلماء يكتشفون كيف تتحرك البكتيريا

تمكن الباحثون للتو من حل لغز عمره 50 عامًا حول كيفية قيام البكتيريا وعدوها القديم «العتائق» بالسباحة؛ وذلك بواسطة مجهر عالي التقنية في البروتينات المجمدة.
فلقد عرفنا منذ فترة طويلة أن البكتيريا تستخدم ذيلًا ملفوفًا صغيرًا يسمى «السوط». لكن التفاصيل المتعلقة بكيفية تشكيل طرفه الخيطي لشكله الملتوي لدفعه إلى الأمام قد استعصت على الفهم حتى الآن.
وفي الخلايا الحيوانية، تعمل الأسواط مثل الذيول المألوفة أكثر (الضرب ذهابًا وإيابًا لدفع أجسامها إلى الأمام). لكن الخلايا التي تنتمي إلى البكتيريا والمجال الثالث من الحياة؛ وهي العتائق أحادية الخلية، لها سوط لولبي الشكل لا يمكن أن يولد قوة دفع بسيطة من جانب إلى جانب اثناء الحركة. وبدلاً من ذلك، تدور هذه الملفات الصغيرة مثل المروحة الملتوية. ويبدو أن ملفاته قادرة على التمدد والتقلص إلى حد ما، على غرار الخيط الخفيف، ما يسمح للميكروبات بإنشاء أشكال موجية مختلفة من خلال دورانها. كما يمكن أيضًا للدورات تغيير الاتجاهات.
وتتكون كل من البكتيريا والسوط والعتائق من نفس الوحدات الفرعية المتكررة من بروتين فلاجيلين. ومع ذلك، فإن نوع السوط الموجود في الذيل العتيق يشبه إلى حد كبير النوع الموجود في نوع آخر من النتوء الخلوي الموجود في البكتيريا المسماة «pili».
فلقد استخدم عالم الفيزياء الحيوية بجامعة فيرجينيا مارك كروتزبيرغر وزملاؤه التصوير المقطعي بالإلكترون المبرد لفحص التركيب الجزيئي للخيوط السوطية على مستوى قريب من الذري في البكتيريا على شكل قضيب Escherichia coli و archaea Saccharolobus islandicus. وفي النتيجة رأوا أن في البكتيريا، يمكن أن توجد خيوط البروتين في 11 حالة مختلفة و 10 حالات مختلفة في العتائق. وإن وجود مزيج من هذه الحالات هو الذي يجعل الهيكل ككل يتجعد في شكله الملفوف بكل الميكروبات على الرغم من الاختلافات في بنية البروتين.
وتكون البنية فائقة الالتواء الناتجة مستقرة للغاية بحيث يمكنها تحمل ضغوط الالتواء مع الاحتفاظ بشكلها الملتوي أثناء الدوران (أي حتى يغير السوط اتجاه الدوران)، وذلك وفق «ساينس إليرت» العلمي المتخصص، نقلا عن بحث جديد نشر بمجلة «Cell».
ففي «E. coli» تتضمن السباحة المستقيمة الدوران عكس اتجاه عقارب الساعة. لكن عندما تقوم البكتيريا بتبديل اتجاه دوران ذيلها، فإن القوى المفروضة على السوط تغير هيكلها، ما يؤدي إلى شد واحد أو أكثر من خيوطها من حزمها الضيقة وتفكيك الملفات الفائقة إلى شكل شبه ملفوف أو مجعد. وهذا يغير وضع السباحة المستقيم للميكروب إلى تعثر مع دوران الذيل في اتجاه عقارب الساعة.
وعلى الرغم من اختلافاتها في البنية التي تطورت بشكل مستقل، فقد شكلت الطبيعة كلاً من البكتيريا وأسواط العتائق ليكون لهما نفس الشكل والوظيفة؛ وهو مثال رائع للتطور المتقارب.
وفي توضيح أكثر لهذا الأمر، قال إدوارد إيجلمان عالم الكيمياء الحيوية بجامعة فيرجينيا «كما هو الحال مع الطيور والخفافيش والنحل التي طورت جميعًا أجنحة للطيران بشكل مستقل، فإن تطور البكتيريا والعتائق قد جاء مماثلا للسباحة في كليهما». مؤكدا «سيساعد فهمنا الجديد على تمهيد الطريق للتقنيات التي يمكن أن تستند إلى مثل هذه المراوح الصغيرة».