الإيقاع اليومي للبكتيريا

تُعدّ الإيقاعات البيولوجية البكتيرية ، مثل غيرها من الإيقاعات البيولوجية ، "ساعات بيولوجية" داخلية المنشأ ، وتتميز بالخصائص الثلاث التالية:

• (أ) في ظل ظروف ثابتة (أي درجة حرارة ثابتة وإضاءة ثابتة {LL} أو ظلام دائم {DD}) فإنها تتذبذب بفترة زمنية قريبة من 24 ساعة، ولكن ليس بالضبط.
• (ب) يتم تعويض درجة الحرارة لهذا الإيقاع " الحر "، و
• (ج) سيتواءم الإيقاع مع دورة بيئية مناسبة.

حتى منتصف ثمانينيات القرن الماضي، كان يُعتقد أن الخلايا حقيقية النواة فقط هي التي تمتلك إيقاعات يومية. أما الآن، فقد بات معروفًا أن البكتيريا الزرقاء (وهي شعبة من البكتيريا الحقيقية ذاتية التغذية الضوئية ) تمتلك إيقاعات يومية موثقة جيدًا، تستوفي جميع معايير الإيقاعات اليومية الحقيقية. في هذه البكتيريا ، تُشكل ثلاثة بروتينات رئيسية، تم تحديد بنيتها، وهي KaiA و KaiB و KaiC، آلية جزيئية تُنظم التعبير الجيني الشامل. ^{[ 1 ]} يُعزز هذا النظام قدرة البكتيريا الزرقاء على التكيف في البيئات ذات الإيقاعات الحيوية.

قبل منتصف الثمانينيات، كان يُعتقد أن حقيقيات النوى فقط هي التي تمتلك أنظمة الساعة البيولوجية. ^{[ 2 ]}

في عامي 1985 و1986، اكتشفت عدة مجموعات بحثية أن البكتيريا الزرقاء تُظهر إيقاعات يومية لتثبيت النيتروجين في كلٍ من دورات الضوء/الظلام وفي الضوء المستمر. وكانت مجموعة هوانغ وزملاؤه أول من أدرك بوضوح أن بكتيريا Synechococcus sp. RF-1 الزرقاء تُظهر إيقاعات يومية، وفي سلسلة من المنشورات بدأت عام 1986، أثبتوا الخصائص الثلاث البارزة للإيقاعات اليومية المذكورة أعلاه في الكائن الحي نفسه، وهو Synechococcus sp. RF-1 وحيد الخلية الذي يعيش في المياه العذبة. ^{[ 3 ] [ 4 ]} وكانت دراسة سويني وبورجيزي رائدةً أخرى. ^{[ 5 ]}

استلهامًا من أبحاث الرواد المذكورين آنفًا، قام الفريق التعاوني المكون من تاكاو كوندو ، وكارل إتش. جونسون ، وسوزان غولدن ، وماساهيرو إيشيورا، بتحويل بكتيريا السيانوبكتيريا Synechococcus elongatus وراثيًا باستخدام مُخبِر لوسيفيراز، مما أتاح قياس التعبير الجيني الإيقاعي بطريقة غير جراحية، وذلك من خلال خلايا "متوهجة" إيقاعيًا. ^{[ 6 ] [ 7 ]} وقد مكّن هذا النظام من قياس إيقاع يومي دقيق للغاية للتألق الضوئي من مجموعات الخلايا ^{[ 6 ]} وحتى من خلايا السيانوبكتيريا المفردة. ^{[ 8 ]} يوضح الشكل التذبذبات اليومية في تألق العديد من مستعمرات السيانوبكتيريا الفردية على طبق بتري ؛ لاحظ تزامن الإيقاع بين المستعمرات المختلفة.

على الرغم من التوقعات التي أشارت إلى أن الخلايا التي تتضاعف أسرع من مرة واحدة كل 24 ساعة لن تُظهر إيقاعات الساعة البيولوجية، ^{[ 9 ]} إلا أن إيقاعات البكتيريا الزرقاء تستمر في المزارع التي تنمو بمعدلات تضاعف تصل إلى انقسام واحد كل 5-6 ساعات. ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}

هل تُحسّن الساعات البيولوجية من لياقة الكائنات الحية التي تنمو في ظروف طبيعية؟ يُفترض أن الساعات البيولوجية تُحسّن لياقة الكائنات الحية من خلال تعزيز قدرتها على التنبؤ بالدورات اليومية للعوامل البيئية. مع ذلك، لم تُجرَ سوى اختبارات قليلة ودقيقة لهذا الافتراض على أي كائن حي. ^{[ 13 ]} تُعدّ البكتيريا الزرقاء من الكائنات الحية القليلة التي أُجري عليها مثل هذا الاختبار. أُجري اختبار اللياقة التكيفية عن طريق مزج سلالات من البكتيريا الزرقاء تُظهر خصائص بيولوجية مختلفة (مثل الانتظام مقابل عدم الانتظام، وفترات زمنية مختلفة، إلخ) وزراعتها في بيئة تنافسية في ظل ظروف بيئية مختلفة. كان الهدف هو تحديد ما إذا كان وجود نظام ساعة بيولوجية يعمل بشكل مناسب يُحسّن اللياقة في ظل ظروف تنافسية. كانت النتيجة أن السلالات التي تمتلك ساعة بيولوجية فعّالة تتفوق على السلالات غير المنتظمة في البيئات ذات دورة الضوء/الظلام المنتظمة (مثل 12 ساعة من الضوء تتناوب مع 12 ساعة من الظلام)، بينما في البيئات "الثابتة" (مثل الإضاءة المستمرة) تنمو السلالات المنتظمة وغير المنتظمة بمعدلات متقاربة. ^{[ 14 ]} ومن بين السلالات المنتظمة ذات الفترات المختلفة، تتمكن السلالات التي تتطابق فترتها الداخلية بشكل أوثق مع فترة الدورة البيئية من التفوق على السلالات التي لا تتطابق فترتها مع فترة البيئة. ^{[ 15 ]} وقد تم الحصول على نتائج مماثلة لاحقًا في النباتات ^{[ 16 ]} والفئران. ^{[ 17 ]}

في حقيقيات النوى، يُعبَّر عن حوالي 10-20% من الجينات بشكل إيقاعي (كما يُقاس بإيقاعات وفرة الحمض النووي الريبوزي الرسول). مع ذلك، في البكتيريا الزرقاء، تُنظَّم نسبة أكبر بكثير من الجينات بواسطة الساعة البيولوجية. على سبيل المثال، أظهرت إحدى الدراسات أن نشاط جميع المحفزات تقريبًا في الجينوم يُنظَّم بشكل إيقاعي. ^{[ 18 ]} ويبدو أن الآلية التي يرتبط بها هذا التنظيم الجيني الشامل بالساعة البيولوجية تعود إلى تحفيز الساعة لسلسلة من التفاعلات النسخية ^{[ 19 ] [ 20 ]} المقترنة بتغيرات إيقاعية في بنية كروموسوم البكتيريا الزرقاء بأكمله. ^{[ 21 ] [ 22 ]}

استُخدم نظام الإبلاغ عن نشاط إنزيم لوسيفيراز في بكتيريا S. elongatus لفحص طفرات جينات الساعة البيولوجية، والتي تم عزل العديد منها. [ 23 ^{] يوضح الشكل} بعضًا من الطفرات العديدة التي تم اكتشافها. استُخدمت هذه الطفرات لتحديد جينات الساعة البيولوجية الأساسية KaiA و KaiB و KaiC . ^{[ 1 ]}

في البداية، بدا أن آلية الساعة البيولوجية في البكتيريا الزرقاء عبارة عن حلقة تغذية راجعة للنسخ والترجمة ، حيث تنظم بروتينات الساعة نشاط محفزاتها ذاتيًا من خلال عملية مشابهة في مفهومها لحلقات الساعة البيولوجية في حقيقيات النوى. ^{[ 1 ] [ 24 ]} لاحقًا، أشارت عدة أدلة إلى أن النسخ والترجمة ليسا ضروريين للإيقاعات البيولوجية لبروتينات كاي، ^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]} وكان أبرزها قدرة بروتينات كاي الثلاثة المنقاة على إعادة تكوين تذبذب بيولوجي مُعوض حراريًا في أنبوب اختبار. ^{[ 28 ]}

في الكائنات الحية ، يبدو أن مخرجات مذبذب KaiABC الكيميائي الحيوي، والمتعلقة بإيقاعات التعبير الجيني، تتوسطها حالة فسفرة KaiC (انظر أدناه)، والتي تنظم سلسلة تفاعلات كيميائية حيوية تشمل كيناز الهيستيدين SasA والفوسفاتاز CikA، اللذين يقومان بتنشيط/تثبيط عامل النسخ RpaA ذي التأثير الشامل. ^{[ 19 ] [ 20 ]} ومن العوامل المساهمة في برامج النسخ الشاملة إيقاعات بنية الكروموسومات، حيث تُنسق الساعة البيولوجية تغييرات يومية جذرية في بنية الحمض النووي، مما يؤثر على معدلات النسخ. ^{[ 21 ] [ 22 ] [ 29 ]}

يُعدّ النظام اليومي للبكتيريا الزرقاء فريدًا من نوعه حتى الآن، إذ إنه النظام اليومي الوحيد الذي تمّ فيه تحديد بنية بروتينات الساعة كاملة الطول. في الواقع، تمّ تحديد بنية جميع بروتينات Kai الثلاثة. يشكّل KaiC سداسيًا يشبه حلقة مزدوجة ذات مسام مركزية مغلقة جزئيًا من أحد طرفيها. ^{[ 30 ]} يحتوي KaiC على اثني عشر موقعًا لربط ATP ، وقد تمّ تحديد الأحماض الأمينية التي تُفسفر أثناء إيقاع الفسفرة في المختبر. ^{[ 31 ] [ 32 ]} يحتوي KaiA على نطاقين رئيسيين ويشكّل ثنائيات حيث تتبادل النطاقات الطرفية N مع النطاقات الطرفية C. ^{[ 33 ] [ 34 ]} تمّت بلورة KaiB بنجاح من ثلاثة أنواع مختلفة من البكتيريا الزرقاء، ويشكّل ثنائيات أو رباعيات. ^{[ 35 ] [ 36 ]}

ساهمت البنى ثلاثية الأبعاد في توضيح آلية الساعة البيولوجية للبكتيريا الزرقاء من خلال توفير نماذج ملموسة لكيفية تفاعل بروتينات كاي الثلاثة وتأثيرها المتبادل. ^{[ 30 ] [ 34 ] [ 35 ] [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ] [ 40 ]}

أتاحت المناهج البنيوية أيضًا تصوير معقدات KaiA / KaiB / KaiC كدالة للزمن، مما مكّن من وضع نماذج رياضية متطورة لإيقاع الفسفرة في المختبر. ^{[ 41 ]} وبالتالي، يمكن تصوير مكونات الساعة البيولوجية للبكتيريا الزرقاء وتفاعلاتها في أربعة أبعاد (ثلاثة في المكان، وواحد في الزمن). وقد تم توضيح أنماط التكوين الزمني لمعقد KaiA / KaiB / KaiC ، إلى جانب تفسير الآلية الأساسية استنادًا إلى دورة أنماط فسفرة KaiC وديناميكيات معقد KaiA / KaiB / KaiC . ^{[ 42 ] [ 43 ]} (انظر الرسوم المتحركة لدورة الفسفرة/المعقد). بالإضافة إلى ذلك، طُبقت طرق الجزيء المفرد ( مجهر القوة الذرية عالي السرعة ) لتصوير وتحديد كمية التفاعلات الديناميكية بين KaiA و KaiC في الوقت الحقيقي على نطاقات زمنية أقل من ثانية. ^{[ 44 ]} تنظم هذه التفاعلات التذبذب اليومي عن طريق تعديل ارتباط المغنيسيوم في KaiC . ^{[ 45 ]}

على الرغم من أن دورة فسفرة/تكوين معقد KaiABC تُفسر السمات الرئيسية لهذا المذبذب البيولوجي الحيوي اليومي، وخاصةً كيفية ارتباطه بمسارات الإخراج التي تُنظم أنماط التعبير الجيني الشاملة، ^{[ 46 ] [ 19 ] [ 20 ]} إلا أنها لا تُقدم تفسيرًا لسبب كون دورة هذا المذبذب حوالي 24 ساعة، ولا لكيفية "تعويضه حراريًا". قد تكون تفاعلات الفسفرة/إزالة الفسفرة وارتباطات/انفصال معقدات البروتين سريعة جدًا، فلماذا إذًا يمتلك هذا المذبذب البيولوجي الحيوي دورة بطيئة تصل إلى 24 ساعة ومع ذلك فهو دقيق للغاية؟ أحد النماذج هو أن التفاعل المحدد لمعدل الدورة هو معدل تحلل ATP البطيء جدًا بواسطة KaiC . يُحلل KaiC جزيئات ATP بمعدل بطيء بشكل ملحوظ، حيث يُحلل 15 جزيء ATP فقط لكل مونومر KaiC خلال 24 ساعة. يتم تعويض معدل نشاط إنزيم ATPase هذا بدرجة الحرارة، ويتناسب نشاط بروتينات KaiC الطبيعية والطافرة في دورة الساعة البيولوجية تناسبًا طرديًا مع تردداتها اليومية في الجسم الحي ، مما يشير إلى أن نشاط إنزيم ATPase هو الذي يحدد الدورة اليومية. لذلك، اقترح بعض الباحثين أن نشاط إنزيم ATPase في بروتين KaiC يمثل التفاعل الأساسي المسؤول عن الدورية اليومية في البكتيريا الزرقاء. ^{[ 47 ]} أشارت التحليلات البنيوية لإنزيم ATPase في بروتين KaiC إلى أن بطء تحلل ATP هذا ينشأ من احتجاز جزيء ماء محلل في وضع غير مناسب، واقتران تحلل ATP بعملية تحويل الببتيد، مما يزيد من طاقة تنشيط تحلل ATP ويبطئه إلى نطاق زمني مدته 24 ساعة. ^{[ 48 ]}

في سياق الإيقاعات البيولوجية للبكتيريا ، وتحديدًا في البكتيريا الزرقاء ، تشير الميزة البيولوجية إلى تحسن القدرة التنافسية لسلالات البكتيريا الزرقاء التي تتناغم مع الإيقاع البيولوجي البيئي . ^{[ 15 ]} على سبيل المثال، لنفترض سلالة ذات دورة بيولوجية حرة (FRP) مدتها 24 ساعة، تمت زراعتها مع سلالة أخرى ذات دورة بيولوجية حرة (FRP) مدتها 30 ساعة، في دورة ضوئية مظلمة مدتها 12 ساعة ضوء و12 ساعة ظلام (LD 12:12). ستتفوق السلالة ذات الدورة البيولوجية الحرة التي تبلغ 24 ساعة على السلالة ذات الدورة التي تبلغ 30 ساعة بمرور الوقت في ظل هذه الظروف. من ناحية أخرى، في دورة ضوئية مظلمة مدتها 15 ساعة ضوء و15 ساعة ظلام، ستتفوق السلالة ذات الدورة التي تبلغ 30 ساعة على السلالة ذات الدورة التي تبلغ 24 ساعة. ^{[ 15 ]} علاوة على ذلك، تتفوق السلالات الإيقاعية من البكتيريا الزرقاء على السلالات غير الإيقاعية في دورات الضوء/الظلام التي تستغرق 24 ساعة، ولكن في الضوء المستمر، تستطيع السلالات غير الإيقاعية التعايش مع الخلايا البرية في المزارع المختلطة. ^{[ 14 ]}

تُعدّ البكتيريا الزرقاء المجموعة الوحيدة من بدائيات النوى التي تمتلك آلية موثقة جيدًا لتنظيم الوقت اليومي. وقد أشارت دراسات حديثة إلى احتمال وجود آليات مماثلة لدى بدائيات النوى الأخرى. ^{[ 43 ]} تُعدّ بكتيريا رودوبسيودوموناس بالوستريس الأرجوانية غير الكبريتية مثالًا على ذلك، إذ تحتوي على نظائر لجينَي KaiB وKaiC، وتُظهر تعزيزًا تكيفيًا للنمو يعتمد على KaiC في بيئات دورية مدتها 24 ساعة. ^{[ 49 ]} مع ذلك، أُفيد أن رودوبسيودوموناس بالوستريس تُظهر إيقاعًا ذاتيًا ضعيفًا لتثبيت النيتروجين في ظل ظروف ثابتة. ويُشير غياب هذا الإيقاع في رودوبسيودوموناس بالوستريس في ظل ظروف ثابتة إلى أهمية آلية تنظيم الوقت الذاتي في التكيف. ^{[ 43 ]} لذلك، تم اقتراح نظام R. palustris باعتباره منظمًا زمنيًا "أوليًا" للساعة البيولوجية يُظهر بعض أجزاء أنظمة الساعة البيولوجية (متماثلات kaiB وkaiC)، ولكن ليس كلها. ^{[ 49 ]}

توجد بعض الأدلة على وجود ساعة بيولوجية في بكتيريا Bacillus subtilis . أظهرت فحوصات مُحفِّز إنزيم لوسيفيراز أنماط التعبير الجيني لجين ytvA، الذي يُشفِّر مستقبلًا ضوئيًا للضوء الأزرق، والتي استوفت معايير الساعة البيولوجية. مع ذلك، لم يتم حتى الآن إثبات وجود ساعة بيولوجية في B. subtilis بشكل قاطع ، ولا تزال الآليات المحتملة لتنظيم الجينات البيولوجية داخل هذه البكتيريا غير معروفة. ^{[ 50 ]}

مثال آخر مثير للاهتمام هو حالة الميكروبيوم. من المحتمل أن تلعب الساعات البيولوجية دورًا في سلوك الميكروبات المعوية. تتعرض هذه الكائنات الدقيقة لتغيرات يومية لأن مضيفيها يتناولون الطعام وفق روتين يومي (الاستهلاك نهارًا للحيوانات النهارية وليلًا للحيوانات الليلية). قد يسمح وجود منظم زمني يومي لبكتيريا الأمعاء بتوقع الموارد القادمة من المضيف زمنيًا، مما يمنح هذه الأنواع من البكتيريا ميزة تنافسية على الأنواع الأخرى في الأمعاء. من المعروف أن بعض البكتيريا تستقي إشارات من الساعة البيولوجية للمضيف على شكل هرمون الميلاتونين . ^{[ 43 ]} ثبت أن اضطراب الميكروبيوم المعوي مرتبط بالعديد من الأمراض لدى البشر . لذا، من الضروري لصحتنا الحفاظ على ميكروبات معوية صحية. تتحكم الساعة البيولوجية للمضيف في دورة البيئة المعوية التي تستغرق حوالي 24 ساعة، والتي تشمل العديد من العوامل مثل تغيرات درجة الحرارة، والمغذيات، وبعض الهرمونات، ومستويات الأحماض الصفراوية، ووظائف الجهاز المناعي. ^{[ 51 ] [ 52 ] [ 43 ]} تُظهر الوفرة النسبية لبعض بكتيريا الأمعاء، مثل الفيرميكوتس والبكتيرويديتس ، دورة يومية واضحة. ^{[ 53 ]} في الفئران المصابة باضطراب النظم القلبي نتيجة خلل في مكونات الساعة البيولوجية، يختفي هذا الإيقاع. قد يؤدي اضطراب الرحلات الجوية الطويلة والحرمان من النوم إلى اضطرابات في التذبذبات اليومية للميكروبيوم، لكن هذه التغييرات عادةً ما تكون طفيفة. ^{[ 54 ] [ 55 ] [ 56 ]}

هذا التفاعل ثنائي الاتجاه، إذ يمكن للميكروبات المعوية أن تؤثر أيضاً على العائل. فعلى سبيل المثال، يمكن للمضادات الحيوية أن تؤثر على الالتصاق الإيقاعي لبكتيريا الأمعاء بالظهارة المعوية، وبالتالي، تعيد برمجة الكروماتين وتذبذبات النسخ في الأمعاء والكبد لدى العائل. ^{[ 57 ]}

تركز بعض الأبحاث الحالية في هذا المجال على ما إذا كانت بكتيريا الأمعاء تمتلك إيقاعات يومية داخلية أم لا. إذا كان الأمر كذلك، يتكهن الباحثون بأنها قد تستخدم أنماط تغذية مضيفها كمؤشرات زمنية . أُجريت دراسة طويلة الأمد على الفئران لتحديد ما إذا كانت سلوكيات التغذية الإيقاعية وغير الإيقاعية للمضيفين تُسهم بشكل مختلف في تعافي ميكروبات الأمعاء لديهم من العلاج بالمضادات الحيوية. ^{[ 58 ]} وجد الباحثون أن السلوك الإيقاعي بعد التوقف عن تناول المضادات الحيوية يُسهّل التعافي الكامل لميكروبات الأمعاء. من ناحية أخرى، يُعيق السلوك غير الإيقاعي بعد التوقف عن تناول المضادات الحيوية التعافي السليم لميكروبات الأمعاء. بدلاً من ذلك، يُعزز هذا السلوك تعافي الميكروبات إلى حالة مستقرة جديدة تختلف عن الحالة الأصلية. وُجد أن جنس Turicibacter ، الذي ثبت أنه يُعدّل الناقل العصبي السيروتونين المرتبط بالمزاج، ^{[ 59 ]} يتعافى بشكل مفرط. قد يؤدي هذا التأثير إلى خفض مستوى السيروتونين في الأمعاء، مما يربط الميكروبيوم المعوي بالتأثيرات على الصحة العقلية للمضيف.

يوجد 4616 نوعًا من البكتيريا المعروفة في أمعاء الإنسان. ^{[ 60 ]} اثنان منها فقط، وهما كليبسيلا إيروجينز وباسيلوس سوبتيليس، معروفان حاليًا بامتلاكهما ساعات بيولوجية. ^{[ 50 ] [ 61 ] [ 62 ]} ويُشتبه في أن أنواعًا أخرى من بكتيريا الأمعاء قد تمتلك ساعات بيولوجية أيضًا.

• الإيقاع اليومي
• علم الأحياء الزمني
• البكتيريا الزرقاء
• كايا
• كاي بي
• كاي سي
• الجين المتذبذب
• الفسفرة
• سينيكوكوس