دراسة الحياة في أقسى البيئات على وجه الأرض

تتشبَّث الميكروبات (أو الكائنات المجهرية) بالحياة في بعضٍ من أشدِّ البيئات قسوةً على وجه الأرض، بدءًا من ينابيع المياه الساخنة السامة، حتى المناطق الصحراوية التي تقع على ارتفاعاتٍ شاهقة. ومن بين تلك الكائنات التي تعيش في ظروف القاسية، ويُطلق عليها "الإكستريموفيلات" extremophiles، كائنات قادرة على الحياة في ظل حرارة تقارِب درجة الغليان، أو برودة تكاد تصل إلى درجة التجمد، أو في بيئات ترتفع فيها نسبة الملوحة، أو مستوى الضغط، وكذلك في البيئات المشبَّعة بالأحماض أو القلويات أو المعادن أو النشاط الإشعاعي.

وإجبار هذه الكائنات على الحياة في المختبرات تعترضُهُ تحدياتٌ عدَّة. ورغم ذلك، فقد تضاعف عدد الأبحاث العلمية التي تناولت الكائنات المتكيِّفة مع الظروف القاسية خلال العقود الماضية؛ حيث إنّ غرابة هذه الكائنات تسترعي اهتمام بعض العلماء، ممَّن يسعون وراء الأنواع التي لم يجرِ توصيفها بعد، أو التي قد تحمل داخلها إنزيمات مفيدة للعمليات الصناعية، أو مضادات حيوية كفيلة بإنقاذ الأرواح. وهناك مِن العلماء مَن يرى، ببساطة، أن الكائنات الأمثل لأبحاثهم العلمية يتصادف أنها تفضِّل الظروف القاسية.

وقد حدا هذا الوضع بالباحثين المعنيِّين بدراسة تلك الكائنات إلى ابتكار مناهج مختبرية جديدة للتعامل معها. ولكي يتسنَّى لهم تحديد هذه الكائنات، وإنماؤها مخبريًّا، ومتابعتها، وتعديلها جينيًّا، غالبًا ما يلجأون إلى تعديل مناهجهم المُتَّبَعة في دراسة الكائنات العادية. وفي حين يمكن توظيف بعض الأساليب بسهولة، عن طريق استنباط أساليب مطبَّقة على كائن بعينه متكيِّف مع الظروف الحرارية القاسية، على سبيل المثال، وتطبيقها على كائنات أخرى تملك التفضيلات نفسها، فلا بد من تعديل أساليب أخرى، كي تناسب كل كائن جديد.

وتقول جوسلين ديروجيرو، عالمة الأحياء المجهرية في جامعة جونز هوبكنز في مدينة بالتيمور بولاية ميريلاند: "كل كائن يعيش في ظروف قاسية يفرض مجموعة من التحديات المرتبطة به على وجه التحديد. وكلما فكر الباحث في إجراء خطوة ما، عليه أن يفكر في كيفية تعديلها لتناسب الكائن محل الدراسة".

النمو في أقسى البيئات

في عام 2014، استقطب سكوت تاي -عالِم الأحياء المجهرية بجامعة فيرمونت في برلنجتون- مجموعة من الشركاء الدوليين، للانضمام إلى مبادرة مستمرة، تُعرف باسم "مشروع ميكروبيوم الظروف القاسية" XMP. ويأمل الباحثون في العثور على جيناتٍ بإمكانها توضيح كيفية بقاء الكائنات التي تعيش في تلك الظروف على قيد الحياة، وما إذا كانت قادرة على تكوين مُركَّبات تصلح كمضادات حيوية، أم لا.

وقد سافر العلماء إلى مناطق من تلك التي يصدُق وصفها بالبيئات القاسية، في إطار بحثهم عن ميكروبات جديدة لتحليلها. ومن بين تلك الأماكن ينابيع المياه الساخنة السامة في منخفض داناكل بإثيوبيا، وهي منطقة مشبعة بالأملاح، والأحماض، والمعادن الثقيلة، كما قصدوا كذلك فوهة الغاز المشتعل في تركمنستان.

أما التحدِّيات الرئيسة، فقد كانت في انتظارهم لدى عودتهم إلى المختبر، إذ يقول تاي: "واجهنا عقبات ضخمة في الحقيقة". فالميكروبات التي كانت من القوة بحيث تحمَّلَتْ الظروف القاسية، قاومَتْ محاولات العلماء تكسيرها، واستخلاص حمضها النووي. ومن ثم، طوَّر تاي وفريق "مشروع ميكروبيوم الظروف القاسية" مزيجًا من ستة إنزيمات، صار فيما بعد متاحًا للتداول التجاري تحت اسم "ميتابوليزيم" MetaPolyzyme، وذلك لتفكيك سطح أي خلية يصادفونها، ثم أضافوا منظفات ومُذيبات عضوية، لجمع الحمض النووي على حبيبات مغناطيسية¹. ويقول تاي: "كان علينا ابتكار طريقة عجيبة إلى حدٍّ ما لاستخلاص الحمض النووي". وهكذا، شرع الباحثون في أداء عملهم، مستعينين بهذه الطريقة داخل غرفة تجميد مليئة بالعينات، على حد وصف تاي.

وهناك طائفة أخرى من الصعوبات التي ترتبط بدراسة الكائنات الحية التي تعيش في الظروف القاسية في المختبر، فعلى سبيل المثال.. يدرس فريق ديروجيرو الكائنات التي تعيش في ظروف الملوحة العالية، ويُطلق عليها "هالوفيلات" halophiles، والتي كشطوها من على سطوح صخور صحراء أتاكاما التشيلية شاهقة الارتفاع. من السهل إنماء بعضٍ من تلك الكائنات مخبريًّا، وكلُّ ما عليك فِعله هو إضافة الملح، على حد وصف ديروجيرو، التي أجرت بحثًا آخر على الكائنات اللاهوائية المتكيِّفة مع الحرارة الفائقة، التي تنمو في درجات شديدة الحرارة، وفي غياب الأكسجين. ولإنماء تلك الكائنات مخبريًّا، استخدمت ديروجيرو أوعية استنبات مقاومة للحرارة، صنعتها وكالة ناسا. توضع تلك الأوعية في حضّانة تُضبط درجة حرارتها على 95 درجة مئوية، ويطلِق عليها أعضاء الفريق مازِحِين لقب "فرن البيتزا"، لسخونتها الفائقة. وبالنظر إلى أن مادة الأغار الهلامية العادية الموضوعة في أطباق "بتري" بلاستيكية سوف تنصهر بفعل هذه الحرارة، فقد لجأ العلماء إلى استخدام أطباق زجاجية ممتلئة بمادة مشتقة من صمغ الجيلان، تُدعى "جيلرايت" Gelrite، وهي مادة مقاوِمة للحرارة.

تعديل الجينات

قد يتطلب تعديل جينات الكائنات التي تعيش في الظروف القاسية بذل جهود إضافية.. فبينما يعتمد الباحثون على أدوات وأساليب مخبرية في التعامل مع الميكروبات التي يفضلونها، مثل "الإشريكية القولونية" Escherichia coli، ومنها البلازميدات المستخدمة في تحويل المادة الجينية، والأساليب المتبَعة لحقْن تلك المادة في ميكروبات ومُركَّبات جديدة، بغرض انتقاء الكائنات المجهرية التي اكتسبَتْ الجينات الجديدة بنجاح، فإن هذه الأدوات والأساليب لا تتناسب -في كثير من الأحيان- مع المستويات العالية من الملح، ولا درجات الحرارة الفائقة، وغير ذلك من الظروف القاسية الأخرى.

ومن المعلوم أنَّ العلماء عادةً ما يُخلِّقون الجينات التي يرغبون في استخدمها داخل بكتيريا الإشريكية القولونية، ثم يعزلون البلازميدات المطلوبة، بما يتيح لهم نقلها بعد ذلك إلى الكائنات المتكيِّفة مع الظروف القاسية. وفي إمكان بعض تلك الكائنات امتصاص الأحماض النووية من الوسط المحيط بها، على حد قول كاري إيكرت، عالمة البيولوجيا التخليقية بجامعة كولورادو بولدر، والمختبر الوطني للطاقة المتجددة، الواقع في مدينة جولدن بولاية كولورادو. وإذا لم تُكلَّل هذه الوسيلة بالنجاح، تقترح إيكرت الاستعانة بتقنية التثقيب الكهربائي، التي تنطوي على استخدام نبضات كهربية لإحداث ثقوب في أغشية الخلايا.

وتُقدِّم إيكرت نصيحة أخرى، تتمثَّل في تحديد أنماطٍ بعينها لعملية إضافة الميثيل إلى جينوم الكائن الذي يعيش في الظروف القاسية، وذلك من خلال وضع تسلسل للحمض النووي². وترجع أهمية تلك الخطوة إلى أن الأحياء المجهرية سوف تدمر -في كثير من الأحيان- الأحماض النووية ذات النمط "الخاطئ"، كي تحمي نفسها من الغزاة. ويعكف العلماء على تعلُّم كيفية تعديل أنظمة عملية إضافة الميثيل تلك في بكتيريا الإشريكية القولونية، بهدف إنتاج حمض نووي جديد يماثل ذلك الخاص بالعائل³.

وبعد أن يتمكن العلماء من إنتاج الحمض النووي، المزوَّد بمجموعة ميثيل على نحوٍ سليم، سيكون عليهم انتقاء نوع الكائن المتكيِّف مع الظروف القاسية الذي سوف يتقبَّله. ولكي يتمكن علماء الأحياء المجهرية من دراسة الجينات التي تقع في نطاق اهتمامهم، فعادة ما يعمدون إلى حقْنها داخل بلازميدات تحتوي على جينات مختصة بمقاومة المضادات الحيوية؛ حيث إنّ المستعمرات التي نمت في بيئات تحتوي على ذلك المضاد الحيوي تتقبل هذه الجينات، لكنْ في ظل الظروف القاسية، كثيرًا ما تخفق المضادات الحيوية في أداء وظيفتها. ومن ثمَّ، تكون هناك حاجة إلى اعتماد وسيلة انتقاء بديلة، تتمثَّل في هذه الحالة في قدرة الكائن على النمو (أو عدم النمو) دون مغذيات معينة، عادةً ما تكون أقل حساسية للظروف الاستثنائية.

وقد أجرى الباحثون كذلك تعديلاتٍ على تقنية التحرير الجيني، بحيث تصلُح لدراسة الكائنات التي تعيش في ظروف قاسية. فقد ابتكر فريق إيكرت نهجًا يتألَّف من خطوتين لتحرير جينوم بكتيريا "المطثية الحرارية السليولوزية" Clostridium thermocellum، التي تعيش في درجات حرارة مرتفعة⁴. وسعيًا إلى تحقيق ذلك، استعاروا نظامًا لتبادل الجينات من كائن آخر متكيِّف مع الحرارة، لإدخال التسلسل المطلوب في بكتيريا المطثية الحرارية السليولوزية. وفي الوقت نفسه، قاموا بتعديل المواقع القريبة، التي عادةً ما تسمح لنظام "كريسبر-كاس" CRISPR-Cas بتمييز الحمض النووي وقطْعه، بما يجعلها غير ظاهرة لنظام "كريسبر"، ثم استخدموا النظام نفسه لقطع أية جينات غير معدَّلة، مستبعدين الميكروبات غير المحررة جينيًّا.

تصل نسبة كفاءة هذا النهج إلى 94%، ومن المفترض أن ينجح مع الكائنات الأخرى المتكيِّفة مع الحرارة، على حد قول إيكرت. وجديرٌ بالذكر أنَّ  مختبرات "نيو إنجلاند بايولابز" New England Biolabs، و"أميريكان تايب كالتشر كوليكشن" American Type Culture Collection تتيح السلالات الميكروبية اللازمة لتطبيق هذا النهج. وتسعى إيكرت، من جهتها، إلى إضافة البلازميدات إلى مستودع "آد جين" Addgene.

تصوير حيّ مباشر

تشهد المَجَاهر (الميكروسكوبات) كذلك تطوُّرًا جذريًّا، من شأنه تمكين العلماء من فحص بيولوجيا خلايا الكائنات التي تعيش في ظروف قاسية. 

يُعنَى باز باوم -عالِم البيولوجيا الخلوية في مختبر البيولوجيا الجزيئية التابع لمجلس البحوث الطبية في كامبريدج في المملكة المتحدة- بدراسة انقسامات الخلايا التي تحدث في بكتيرياSulfolobus acidocaldarius، وهي من الكائنات المتكيِّفة مع الأحماض والحرارة، لكن المَزارع الحية تبرد سريعًا، مثل كوب من الشاي، عند وضعها على رَفّ الميكروسكوب، وتدخل الميكروبات في حالةٍ يُطلق عليها الحالة الحيوية المعلقة، على حد وصف باوم، الذي يضيف قائلًا: "ظل الفشل يلاحقنا لسنوات عديدة".

قرر الفريق استعارة تقنية مستخدَمة في أجهزة تفاعل البلمرة المتسلسل، من أجل تدفئة مَزارع الخلايا من أعلى ومن أسفل في الوقت ذاته. وقد استعان على تحقيق ذلك بمهندسَي فضاء، هما في واقع الأمر شقيقان، أحدهما والد أحد أعضاء الفريق، كي يصنعا حُجيرة من الألومنيوم المستخدَم في صناعة الطائرات. وقد نشر الباحثون المخططات التصميمية لِمَا أطلقوا عليه "السولفوسكوب" Sulfoscope⁵، لكن باوم يزعم أن أي حجيرة مزدوجة التدفئة سوف تفي بالغرض. يتيح هذا النظام للفريق دراسة البروتينات التي تحافظ على الانقسام التناظري للخلايا.

وليس من السهل، كذلك، دراسة الكائنات التي تعيش في ظروف الملوحة العالية تحت عدسة الميكروسكوب؛ فهي تفتقد إلى الجدران الخلوية الصلبة، التي توجد لدى البكتيريا. كما أنَّ بقاءها على قيد الحياة متوقِّف على الحفاظ على مستوى الضغط الأسموزي نفسه في البيئة المحيطة، ما يمنحها صلابة واهية، تشبه جدار البالون نصف الممتلئ بالهواء. ونتيجة لذلك، تصبح عرضة للتشوُّه بسهولة عند حشرها بين شريحة الميكروسكوب وغطائها، ما يجعل من الصعب دراسة حجم الخلايا وشكلها.

وقد واجهت الباحثة يي-جين أون المشكلة نفسها أثناء عملها على دراسات ما بعد الدكتوراة بجامعة هارفارد في مدينة كامبريدج بولاية ماساتشوستس، وذلك في أثناء التعرُّف على الكيفية التي تُمكِّن إحدى العتائق (أو البكتيريا القديمة) المتكيِّفة مع الملوحة، وتُدعى "الملحاء العصوية الملحية" Halobacterium salinarum، من التحكم في حجمها. فقد تشوَّهت الكائنات التي تتخذ شكل العُصِيِّ في المزارع السائلة، متحولةً إلى أشكال مضلَّعة غريبة، أو فقاعات عديمة الشكل، عندما استخدمت أون طبقة من الأجار اللين لتثبيت الخلايا في أماكنها، كي تفحصها تحت الميكروسكوب. وحول هذا الشأن، علَّقت أون، التي تعمل باحثة بيانات رئيسة في شركة "يانسن" Janssen، التي يقع مقرُّها في مدينة تيتوسفيل بولاية نيو جيرسي، بقولها: "لم نتوقع أن تكون عُرضةً للانسحاق إلى هذا الحد". وفي وسع جهاز خاص بدراسة الموائع الدقيقة، يُدعى "سيلاسيك أونكس" CellASIC ONIX، من تصميم شركة "ميليبور سيجما" Millipore Sigma، التي تتخذ من مدينة برلنجتون بولاية ماساتشوستس مقرًّا لها، أن يُثبِّت الميكروبات باستخدام ثنائي ميثيل بولي السيلوكسان اللين، لكن اتضح أن لهذه المادة تأثيرًا ضارًّا على الخلايا التي تدرسها الباحثة.

وفي نهاية المطاف، نجحت أون في مسعاها، من خلال تصنيع حُجيرات بالغة الصِّغر من الأجاروز، بغرض احتواء الخلايا بداخلها برفق. وهكذا، تمكَّنت أخيرًا من رصْد محافَظة هذه العتيقة على حجمها بالطريقة ذاتها التي تستخدمها البكتيريا، حيث تضيف كل خلية حديثة الولادة طولًا ثابتًا إلى العصا التي تتكوّن منها، قبل أن تنقسم مجددًا⁶.

أصباغٌ متلألئة

يتعيَّن على اختصاصيي المجاهر كذلك التوصُّل إلى طرق تمكِّنهم من تصنيف البروتينات المراد دراستها في ظل الظروف القاسية.

فعلى سبيل المثال، واجه فريق دولي تحديًا في دراسة كائن متكيِّف مع الملوحة، هو الميكروب Haloferax volcanii، الذي يوجد في البحر الميت، لأنه بطبيعته ينتج صبغة برَّاقة. وهو ما جعل من الصعب استخدام لصيقات البروتين الفلورية اللامعة لتتبُّع الجزيئات الفردية، حسبما أورَدَ الفريق في المسوَّدة البحثية المنشورة في شهر يوليو الماضي⁷. ومن ثم، فقد كان لزامًا عليهم تعطيل الجين الذي يُسهِم في تخليق تلك الصبغة أولًا، فاستحالت ميكروباتٍ عديمة اللون، غير أنها، فيما عدا ذلك، حافظَتْ على السمات الطبيعية نفسها.

وهكذا، راح الباحثون يدرسون بيئة ذلك الميكروب. وعلى غرار كثير من الكائنات التي تعيش في ظروف الملوحة العالية، يملك هذا الكائن حمضًا نوويًّا يحتوي على قدر مرتفع نسبيًّا من قواعد "الجواناين" guanine، و"السيتوزين" cytosine. ومعنى ذلك أنَّ شيفراته الجينية –أي التسلسلات الثلاثية المُشفِّرة للأحماض الأمينية– سوف تميل أيضًا إلى استخدام تلك القواعد، وأنَّ الجينات التي تستخدم الشفرات نفسها سوف تحظى بمستويات أعلى من التعبير الجيني. ومن هذا المنطلَق، لجأ الفريق إلى تحسين الشفرات المستخدَمة لإنتاج البروتينات الفلورية الوهَّاجة، التي تصلح في دراسة الكائنات التي لا تحيا في بيئات متطرفة، لكي تلائم تفضيلات هذا الميكروب الذي يعيش في ظروف قاسية.

ويعلِّق إيان دوجين، عالِم البيولوجيا الجزيئية بجامعة سيدني للتكنولوجيا بأستراليا، والمؤلف المشارك في الدراسة بقوله: "نجحت غالبية هذه الشفرات في أداء المهمة". وقد تبيَّن أن نُسخ البروتين قرمزي اللون، ويُدعى بروتين "إم تشيري" mCherry، واللصيقة القابلة للتحول من اللون الأخضر إلى الأحمر عند التعرُّض للضوء، وتُعرف باللصيقة "ديندرا 2" Dendra2، مفيدتان للغاية في تتبع الجزيئات المفردة. يقول دوجين: "نتطلَّع حقًّا إلى التعرُّف على كيفية تطبيق هذه التقنية على دراسات انقسام الخلية، وشكلها، وهيكلها الخلوي".

ومن هنا، يمكن القول إنّ العلماء المعنيين بدراسة الكائنات المتكيِّفة مع الظروف القاسية يستطيعون بالمثابرة إنجاح التجارب التي تبدو مستحيلة. وكما قال دوجين: "الأمر المهمُّ هو ألا نكُفّ عن المحاولة.. فدراسة هذه الكائنات المُحِبَّة للظروف القاسية -إذا جاز إطلاق هذا الاسم عليها- ليسَتْ بتلك الصعوبة التي قد نتصوَّرها لأوَّل وهلة".