العلماء يكتشفون مصدر طاقة بكتيرية قد يصل عمره إلى 2.5 مليار عام

نشر موقع "سايتك ديلي" تقريرا علميا من جامعة كونستانز الألمانية قالت فيه إن القصة تبدأ في نهاية الثمانينات بصفحة من الورق.

في هذه الورقة، قام أحد العلماء بحساب أن تحويل المركب الكيميائي الفوسفيت إلى الفوسفات من شأنه أن يطلق طاقة كافية لإنتاج حامل الطاقة في الخلية - جزيء أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) وبهذه الطريقة، يجب أن يكون من الممكن للكائن الحي الدقيق أن يزود نفسه بالطاقة.

وخلافا لمعظم الكائنات الحية على كوكبنا، فإن هذا الكائن لا يعتمد على إمدادات الطاقة من الضوء أو من تحلل المواد العضوية.

اظهار أخبار متعلقة

نجح العالم بالفعل في عزل مثل هذه الكائنات الحية الدقيقة عن البيئة. يعتمد استقلاب الطاقة فيها على أكسدة الفوسفيت إلى الفوسفات، تماما كما تنبأت الحسابات.

ولكن كيف تعمل الآلية البيوكيميائية بالضبط؟ لسوء الحظ أن الإنزيم الرئيسي اللازم لفهم الكيمياء الحيوية وراء هذه العملية ظل مخفيا ــ وبالتالي ظل اللغز دون حل لسنوات عديدة. وفي العقود الثلاثة التالية، بقيت الورقة في الدرج، وتم وضع البحث جانبا. ومع ذلك، لم يتمكن العالم من إخراج هذه الفكرة من رأسه.

والعالم هو بيرنهارد شينك، الأستاذ في معهد علم المسطحات المائية الداخلية بجامعة كونستانز. وبعد ثلاثة عقود من قيامه بالحسابات على الورق، أدى اكتشاف غير متوقع إلى إعادة الكرة إلى مسارها مرة أخرى.

ما كان يدور في ذهنه لسنوات عديدة تم العثور عليه أخيرا: من بين جميع الأماكن، في محطة للصرف الصحي في كونستانز، على بعد بضعة كيلومترات فقط من مختبر بيرنهارد شينك. قام تشوكينغ ماو، باحث الدكتوراه في علم الأحياء من كونستانز، بفحص عينة من رواسب الصرف الصحي واكتشف كائنا حيا دقيقا ثانيا يحصل أيضا على طاقته من الفوسفيت. قام علماء الأحياء في كونستانز بقيادة بيرنهارد شينك بوضع هذه البكتيريا في بيئة لا تحتوي إلا على الفوسفيت كمصدر للغذاء. وبالفعل: زاد عدد البكتيريا.

ويقول شينك: "تعيش هذه البكتيريا على أكسدة الفوسفيت، وعلى حد علمنا، تعتمد فقط على هذا التفاعل. إنها تغطي عملية التمثيل الغذائي للطاقة بهذه الطريقة، ويمكنها بناء المادة الخلوية من ثاني أكسيد الكربون في نفس الوقت. هذه البكتيريا هي كائن ذاتي التغذية، مثل النبات. ولكنها لا تحتاج للضوء مثل النبات، إذ تستمد طاقتها من أكسدة الفوسفيت". والمثير للدهشة أنه تبين أن هذه البكتيريا ليست مجرد نوع جديد، ولكنها في الواقع تشكل جنسا جديدا تماما من البكتيريا.

اظهار أخبار متعلقة

ومنذ تلك اللحظة، حدثت الأمور بسرعة كبيرة. كرست شبكة كاملة من الباحثين في كونستانز أنفسهم لكشف اللغز، بما في ذلك بيرنهارد شينك، ونيكولاي مولر، وديفيد شليهيك، وجنيفر فليمنغ، وأولغا ماينز. لقد أنتجوا مزرعة نقية لهذه السلالة البكتيرية الجديدة، حيث تمكنوا أخيرا من تحديد الإنزيم الرئيسي الذي يؤدي إلى أكسدة الفوسفيت إلى الفوسفات.

يقول ديفيد شليهيك: "جاء الاختراق مع نيكولاي مولر وتجاربه الإنزيمية". نجح نيكولاي مولر في إظهار نشاط الإنزيم بوضوح، وبالتالي كشف الآلية الكيميائية الحيوية وراء الإنزيم الرئيسي. وابتكرت أولغا ماينز وجنيفر فليمنغ نموذجا ثلاثي الأبعاد لبنية الإنزيم ومركز النشاط لفهم مسار التفاعل.

ويوضح نيكولاي مولر مسار التفاعل قائلا: "ما كان مفاجئا للغاية هو أنه أثناء أكسدته، يبدو أن الفوسفيت يقترن مباشرة بالسلائف الحاملة للطاقة AMP، حيث يتم إنشاء حامل الطاقة ADP. وفي تفاعل لاحق، يتم تحويل اثنين من ADPs المتولدة إلى ATP واحد، والذي يعيش عليه الكائن الحي في النهاية".

اظهار أخبار متعلقة

أخيرا، اجتمعت المعلومات وأصبحت الورقة الأصلية كومة كاملة من الأوراق، مما أدى إلى نشرها في المجلة العلمية PNAS.

إن اكتشاف نوع جديد من استقلاب الطاقة يعد في حد ذاته نجاحا علميا كبيرا. ومع ذلك، يعتقد فريق البحث أن هذا النوع من التمثيل الغذائي ليس جديدا بأي حال من الأحوال، ولكنه قديم جدا، بل ضارب في القدم: يبلغ عمره حوالي 2.5 مليار سنة.

يقول بيرنهارد شينك: "من المفترض أنه في الأيام الأولى من التطور، عندما كانت الأرض تبرد، كان الفوسفور لا يزال موجودا إلى حد كبير في شكل مخفض جزئيا ولم يتأكسد تدريجيا إلا لاحقا. إن عملية التمثيل الغذائي التي اكتشفناها الآن تتلاءم بشكل جيد مع المرحلة المبكرة من تطور الكائنات الحية الدقيقة".

اظهار أخبار متعلقة

وبالتالي فإن الآلية الكيميائية الحيوية التي تستخدمها البكتيريا في عملية التمثيل الغذائي ليست جديدة، ولكنها على الأرجح محفوظة من العصور البدائية لكوكبنا: عندما بدأت الحياة على كوكبنا وكان على الكائنات الحية الدقيقة الأولى أن تتغذى على مركبات غير عضوية مثل الفوسفيت.

فإن النتائج العلمية الجديدة توفر أدلة على التطور الكيميائي الحيوي المبكر على كوكبنا. بالإضافة إلى ذلك، فهي توفر المفتاح لآلية كيميائية حيوية تجعل الحياة ممكنة في أماكن معادية للغاية، وربما حتى على الكواكب الغريبة.