اكتشاف "ميكروب" قد يفتح الباب أمام فهم تطور الكائنات الحية لأول مرة

اكتشف علماء وكالة البحث والتطوير الوطنية اليابانية "RIKEN"، الذين يبحثون عن أدلة على أصول الحياة على الأرض ميكروبا جديدا قد يلقي الضوء على كيفية تطور الكائنات الحية لأول مرة على الأرض، والبحث عن الحياة في أماكن أخرى من الكون وكيفية تحسين المصانع الميكروبية.

ووفقا لتقرير نشره موقع "phys.org" وترجمته "عربي21"، فقد أجرى الباحثون أبحاثهم في الينابيع الوعرة التي تتغذى على المياه العميقة في شمال كاليفورنيا، وكشفوا عن كائن حي دقيق يحول ثاني أكسيد الكربون إلى مواد كيميائية أخرى. لا تولد هذه العملية الطاقة فحسب، بل تستخدم أيضا مسارا أيضيا غير معروف سابقا، مما يشير إلى طرق جديدة لتثبيت الكربون قد تحاكي أقدم أشكال التمثيل الغذائي للطاقة على كوكبنا.

ونُشرت النتائج في مجلة Nature Communications.

تقول شينو سوزوكي، المؤلفة الرئيسية للدراسة وعالمة الأحياء الدقيقة التي ترأس مختبر الجيولوجيا وعلم الأحياء الفلكية في مجموعة RIKEN للأبحاث الرائدة في واكو باليابان: "إنه أمر غير عادي حقا".

إن الظروف غير العادية التي تعيش فيها الكائنات الحية الدقيقة قد تكون مرشحة لنوع البيئة التي نشأت فيها الحياة على الأرض، لذا فإن هذا النوع الجديد من تثبيت الكربون "قد يمثل واحدة من أقدم عمليات تحويل الطاقة للحياة البدائية"، كما تقول سوزوكي. اتضح أنه قد يكون من الممكن أيضا تسخيره لتعزيز التصنيع الميكروبي للمواد الكيميائية والوقود الحيوي.

يأتي الميكروب، حسب الموقع، وهو نوع من أشكال الحياة وحيدة الخلية المعروفة باسم العتائق، من نظام بيئي من عالم آخر يسمى الأرْز. يقع هذا الكنز الجيولوجي على بعد حوالي 150 كيلومترا شمال جسر البوابة الذهبية الشهير في سان فرانسيسكو، ويتميز بتكوينات معدنية غريبة ناجمة عن تفاعل بعض الصخور الجوفية مع الماء.

تخلق هذه العملية مياها غنية بالكالسيوم والهيدروجين وغاز الميثان، ولكنها تفتقر إلى المكونات الأخرى الضرورية للحياة عادة. ومع ذلك، تزدهر الحياة هناك.

قبل حوالي 15 عاما، بدأت سوزوكي وزملاؤها في توصيف الميكروبات في هذه البيئة المعادية، باستخدام تقنيات التسلسل الجيني المتقدمة لتحديد البكتيريا والعتائق داخل هذه العوالم غير المستكشفة. واجهوا مجموعة متنوعة من الميكروبات الغريبة، ولكل منها سمات جينية ووظائف أيضية مميزة.

بعضها يتغذى على الهيدروجين، بينما يستهلك البعض الآخر المعادن المذابة في المياه القلوية. ومع ذلك، ربما لم يكن أي منها أكثر غرابة - وإثارة للاهتمام – من Met12.

Met12  هو واحد من العتائق الوفيرة التي تعيش في المياه الجوفية العميقة في الأرز. كشفت التحليلات الجينية أنها وثيقة الصلة بمجموعة من الميكروبات اللاهوائية المعروفة بقدرتها على إنتاج الميثان كمنتج ثانوي لعملية التمثيل الغذائي الخاصة بها. ومع ذلك، يفتقر Met12 إلى الجينات اللازمة لإنتاج الميثان.

بدلا من ذلك، يعتمد الميكروب على مسار أيضي بديل يتم فيه تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى جزيء عضوي يسمى الأسيتات، دون إطلاق أي ميثان في هذه العملية. ومن الجدير بالذكر أن هذه العملية تتم بمساعدة جين فريد يسمى MmcX.

كما أظهرت سوزوكي وفريقها، فإن هذا الجين يساعد في تعزيز قدرة Met12 على استيراد الإلكترونات، مما يتيح عملية أيض طاقة أكثر قوة. وهذا التكيف ضروري لازدهار الميكروب في تضاريس مثل الأرز والتي قد تبدو للوهلة الأولى غير مضيافة على الإطلاق لمثل هذه الحياة.

وبحسب سوزوكي، فإن هذا الاكتشاف يُظهِر شكلا من أشكال الحياة يتكيف مع البيئات القاسية بطرق غير متوقعة، وهو الاكتشاف الذي قد يعكس كيف نشأت الحياة البدائية أو حتى خارج كوكب الأرض في ظل أنواع من الظروف القاسية التي يُعتقد أنها كانت موجودة على الأرض في وقت مبكر أو على كواكب أخرى. وتقول سوزوكي: "قد يعطي هذا بعض الرؤى حول أصل الحياة".

وعندما اكتشفت سوزوكي، إلى جانب زملاء من الولايات المتحدة والدنمارك وأماكن أخرى في اليابان،  Met12  لأول مرة، لم يصدقوا النتائج التي توصلوا إليها. وتقول سوزوكي: "شككت في نفسي. اعتقدت أنني ارتكبت خطأ".

وبما أن تسلسلات الجينات فقط متاحة، كان عليهم استخدام عملية منهجية لإعادة بناء الجينوم الدائري للميكروب. وقد ثبت أن زراعة Met12 في المختبر أمر صعب، لذلك لم يتمكنوا من التحقق من وجوده من خلال الطرق الميكروبيولوجية التقليدية. وبالانتقال إلى علم الأحياء الاصطناعي، كان على الباحثين استخدام طرق تحقق إبداعية لإقناع أنفسهم بأن الكائن الحي حقيقي.

لقد قاموا بإدخال جين MmcX في بكتيريا على شكل قضيب، تم تعديلها وراثيا بحيث لا تتميز بنشاط نقل الإلكترون. ساعد هذا التعديل في إنقاذ قدرات امتصاص الإلكترون لدى الميكروب، حتى أنه تجاوز المستويات الطبيعية. مع المزيد من التجارب، استنتج الباحثون كيف أن Met12 قادر على استغلال هذه الإلكترونات لتسهيل عملية التمثيل الغذائي للطاقة، مع ثاني أكسيد الكربون كمصدر أساسي للوقود.

وشدد التقرير على أن الاكتشاف له آثار عملية. تُستخدم البكتيريا التي عززوا فيها النشاط الأيضي والتنوع بشكل شائع لصنع الوقود الحيوي. باستخدام MmcX، تأمل سوزوكي في تحسين كفاءة الميكروبات المعدلة وراثيا والتي تعتمد على نقل الإلكترون للمساعدة في تصنيع المواد الكيميائية والوقود الحيوي. أدى ابتكارهم إلى تقديم براءة اختراع لهذه التكنولوجيا الجزيئية.

ويمكن أن يساعد توصيف هذا العصر القديم أيضا في عزل الكربون، وهو أولوية للتخفيف من الانبعاثات لإبطاء وتيرة تغير المناخ، حسب الموقع.

لا تنتهي إمكانيات الابتكار مع MmcX. وتتوقع سوزوكي أن تسفر عمليات الاستكشاف الإضافية التي تجري في منطقة الأرز والتحقيق في بيئات فريدة أخرى تحتوي على مخزونات غير مستغلة من التنوع الجيني عن اكتشافات استثنائية أخرى.

ويبحث فريقها الآن، بحسب التقرير، عن كائنات حية تعيش في بيئات متطرفة في أماكن مثل ينابيع هاكوبا هابو الساخنة في جبال الألب اليابانية، وهي ينابيع ساخنة عالية القلوية تستضيف ظروفا مماثلة لتلك الموجودة في منطقة الأرز، والبراكين تحت الماء في أعمق خندق بحري في العالم، خندق ماريانا، الواقع في غرب المحيط الهادئ.

وتقول: "هناك الكثير من الجينات الأكثر إثارة للاهتمام التي لم يتم اكتشافها بعد".