النمو ثنائي الطور

النمو ثنائي الطور ، أو النمو ثنائي الطور، هو أي نمو خلوي يتميز بنمو الخلية على مرحلتين. وينتج هذا النمو، الذي يعني النمو المزدوج، عن وجود مادتين أساسيتين (عادةً سكريات) في وسط الاستنبات، حيث تكون الخلايا الميكروبية قادرة على النمو بشكل أسرع على إحدى هاتين المادتين. تُستهلك المادة الأساسية الداعمة للنمو الأسرع أولاً، مما يؤدي إلى نمو سريع، يليه طور كمون. ^{[ 1 ] [ 2 ]} خلال طور الكمون، يتم تنشيط الآلية الخلوية المستخدمة في استقلاب المادة الأساسية الثانية (الداعمة للنمو الأبطأ)، ثم يتم استقلاب هذه المادة.

قد يحدث هذا أيضًا عندما تستهلك البكتيريا في مزرعة مغلقة معظم مغذياتها وتدخل مرحلة الثبات، ثم تُضاف مغذيات جديدة فجأة إلى وسط النمو. تدخل البكتيريا مرحلة كمون تحاول خلالها امتصاص الغذاء. وبمجرد أن تبدأ في استهلاك الغذاء، تدخل مرحلة نمو لوغاريتمية جديدة، مُظهرةً ذروة ثانية على منحنى النمو.

اكتشف جاك مونود النمو ثنائي الطور في عام 1941 خلال تجاربه على بكتيريا الإشريكية القولونية والعصوية الرقيقة . أثناء تنمية هذه البكتيريا على تركيبات مختلفة من السكريات خلال بحثه لأطروحة الدكتوراه، لاحظ مونود أنه غالبًا ما تظهر مرحلتان متميزتان من النمو بوضوح في المزارع الدفعية، كما هو موضح في الشكل 1.

خلال المرحلة الأولى، تُفضّل الخلايا استقلاب السكر الذي يُسرّع نموها (غالباً الجلوكوز ، ولكن ليس دائماً). وبعد استنفاد السكر الأول، تنتقل الخلايا إلى السكر الثاني. وعند حدوث "التحول الثنائي"، غالباً ما تكون هناك فترة تأخير تُنتج خلالها الخلايا الإنزيمات اللازمة لاستقلاب السكر الثاني.

واصل مونود عمله على الآلية الأساسية لملاحظاته حول النمو ثنائي الطور واقترح نموذج أوبيرون اللاكتوز للتعبير الجيني ، الأمر الذي أدى إلى حصوله على جائزة نوبل.

يحدث التباين الغذائي (Diauxie) لأن الكائنات الحية تستخدم الأوبيرونات، أو مجموعات متعددة من الجينات ، للتحكم بشكل مختلف في التعبير عن الإنزيمات اللازمة لاستقلاب العناصر الغذائية أو السكريات المختلفة التي تواجهها. إذا خصص الكائن الحي طاقته وموارده الأخرى (مثل الأحماض الأمينية) لتصنيع الإنزيمات اللازمة لاستقلاب سكر لا يدعم إلا معدل نمو أبطأ، ولم يستخدم كل أو معظم موارده المتاحة لتصنيع الإنزيمات التي تستقلب سكرًا آخر يوفر معدل نمو أسرع، فسيكون هذا الكائن في وضع غير مواتٍ من الناحية التناسلية مقارنةً بالكائنات التي تختار النمو على السكر الذي يدعم النمو الأسرع. من خلال التطور ، طورت الكائنات الحية القدرة على تنظيم آليات التحكم الجيني لديها بحيث لا تُعبر إلا عن تلك الجينات التي تؤدي إلى أسرع معدل نمو. على سبيل المثال، عند نمو بكتيريا لاكتوكوكوس لاكتيس في وجود كل من الجلوكوز والمالتوز، فإنها ستنتج إنزيمات لاستقلاب الجلوكوز أولًا، ثم تُغير تعبيرها الجيني لاستخدام المالتوز فقط بعد استنفاد مخزون الجلوكوز.

في حالة خميرة الخباز أو خميرة البيرة Saccharomyces cerevisiae التي تنمو على الجلوكوز مع تهوية جيدة، يُلاحظ نمط النمو ثنائي الطور عادةً في المزارع الدفعية. خلال مرحلة النمو الأولى، عندما يتوفر الجلوكوز والأكسجين بكميات وفيرة، تُفضل خلايا الخميرة تخمير الجلوكوز على التنفس الهوائي ، في ظاهرة تُعرف بالتخمير الهوائي . على الرغم من أن التنفس الهوائي قد يبدو مسارًا أكثر كفاءة من الناحية الطاقية (إنتاجية أعلى لكتلة الخلايا لكل وحدة جلوكوز مستهلكة) للنمو على الجلوكوز، إلا أن التخمير هو المسار الأسرع لنمو خلايا الخميرة (أي معدل نمو أعلى)، وبالتالي فهو المسار المُفضل. وخلافًا لتأثير باستور الأكثر شيوعًا ، فإن هذه الظاهرة أقرب إلى تأثير واربورغ الذي يُلاحظ في الأورام سريعة النمو.

تطورت آليات التنظيم الجيني داخل الخلايا لفرض هذا الخيار، إذ يوفر التخمر معدل نمو بنائي أسرع لخلايا الخميرة مقارنةً بالتنفس الهوائي للجلوكوز، الذي يُفضّل الهدم . بعد استنفاد الجلوكوز، يتأكسد ناتج التخمر، الإيثانول، في مرحلة نمو ثانية أبطأ بشكل ملحوظ، إذا توفر الأكسجين.

في أربعينيات القرن العشرين، افترض مونود أن إنزيمًا واحدًا قادر على التكيف لاستقلاب أنواع مختلفة من السكريات. واستغرق الأمر خمسة عشر عامًا من البحث لإثبات خطأ هذا الافتراض. خلال عمله على أوبيرون اللاكتوز في بكتيريا الإشريكية القولونية ، عزل جوشوا ليدربيرغ إنزيم بيتا-جالاكتوزيداز ، ووجده بكميات أكبر في المستعمرات النامية على اللاكتوز مقارنةً بالسكريات الأخرى. ثم اكتشف ملفين كوهن، في مختبر مونود بمعهد باستور، أن بيتا-جالاكتوزيدات تحفز نشاط الإنزيم. وهكذا، استُبدلت فكرة تكيف الإنزيم بمفهوم تحفيز الإنزيم ، حيث يحفز جزيء ما التعبير عن جين أو أوبيرون، غالبًا عن طريق الارتباط ببروتين كابح ومنعه من الارتباط بالمشغل. ^{[ 3 ]}

في حالة التحول الأيضي البكتيري من استقلاب الجلوكوز إلى استقلاب اللاكتوز، تشير آلية مقترحة إلى أن الجلوكوز يثبط في البداية قدرة إنزيم أدينيلات سيكلاز على تصنيع الأدينوسين أحادي الفوسفات الحلقي (cAMP). بدوره، يُعد cAMP ضروريًا لبروتين مُنشِّط الهدم (CAP) للارتباط بالحمض النووي وتنشيط نسخ جين أوبيرون اللاكتوز، الذي يتضمن الجينات اللازمة لاستقلاب اللاكتوز. يتم استشعار وجود الألولاكتوز، وهو ناتج أيضي للاكتوز، من خلال نشاط مثبط اللاكتوز ، الذي يثبط نسخ جين أوبيرون اللاكتوز حتى وجود اللاكتوز. وبالتالي، في حال وجود الجلوكوز، تبقى مستويات cAMP منخفضة، فلا يستطيع CAP تنشيط نسخ جين أوبيرون اللاكتوز، بغض النظر عن وجود اللاكتوز أو عدمه. عند استنفاد مخزون الجلوكوز، ترتفع مستويات cAMP، مما يسمح لـ CAP بتنشيط الجينات اللازمة لاستقلاب مصادر غذائية أخرى، بما في ذلك اللاكتوز إن وُجد. ^{[ 4 ]}

تشير أبحاث حديثة إلى أن نموذج cAMP غير دقيق في هذه الحالة، إذ تبقى مستويات cAMP متطابقة في ظروف نمو الجلوكوز واللاكتوز. وقد طُرح نموذج مختلف يُرجّح أن يكون التباين بين اللاكتوز والجلوكوز في بكتيريا الإشريكية القولونية ناتجًا بشكل أساسي عن استبعاد المُحفّز. ^{[ 5 ]} في هذا النموذج، يُعطّل نقل الجلوكوز عبر إنزيم EIIA ^Glc إنزيم نفاذية اللاكتوز عند نقل الجلوكوز إلى داخل الخلية، فلا يُنقل اللاكتوز إلى داخلها ولا يُستخدم. وبينما قد لا تلعب آلية cAMP/CAP دورًا في التباين بين الجلوكوز واللاكتوز، إلا أنها تُعدّ آلية مُقترحة لأنواع أخرى من التباين.

يشير منحنى النمو ثنائي الطور إلى منحنى النمو الذي ينتجه الكائن الحي والذي يتضمن ذروتين للنمو. وتستند النظرية الكامنة وراء منحنى النمو ثنائي الطور إلى بحث جاك مونود لنيل درجة الدكتوراه عام 1940.

من الأمثلة البسيطة على ذلك بكتيريا الإشريكية القولونية ( E. coli )، وهي البكتيريا الأكثر فهمًا. تُزرع هذه البكتيريا في وسط نمو يحتوي على نوعين من السكريات ، أحدهما أسرع استقلابًا من الآخر (مثل الجلوكوز واللاكتوز ). في البداية، تستقلب البكتيريا كل الجلوكوز، فتنمو بسرعة أكبر. وعندما ينفد الجلوكوز تمامًا، تبدأ البكتيريا عملية التعبير عن الجينات المسؤولة عن استقلاب اللاكتوز. ولا يحدث هذا إلا بعد استهلاك كل الجلوكوز الموجود في الوسط. لهذه الأسباب، يحدث النمو ثنائي الطور على مراحل متعددة.

المرحلة الأولى هي مرحلة النمو السريع ، حيث تستهلك البكتيريا (في المثال السابق) الجلوكوز حصراً، وتكون قادرة على النمو السريع. أما المرحلة الثانية فهي مرحلة التباطؤ، حيث تُعبَّر الجينات المسؤولة عن استقلاب اللاكتوز، ويتوقف نمو الخلايا بشكل ملحوظ. يلي ذلك مرحلة نمو أخرى أبطأ من الأولى بسبب استخدام اللاكتوز كمصدر أساسي للطاقة. المرحلة الأخيرة هي مرحلة التشبع . ويمكن الإشارة إلى هذه العملية أيضاً بالتحكم الإيجابي في أوبيرون اللاكتوز.