بكتيريا ناقصة الجليد

تُعرف البكتيريا المُفتقرة للجليد باسم شائع يُطلق على نوع مُتحور من بكتيريا Pseudomonas syringae ( P. syringae ). تفتقر هذه السلالة من P. syringae إلى القدرة على إنتاج بروتين سطحي مُعين ، يوجد عادةً على النوع البري من P. syringae . يعمل بروتين "الجليد المُعزز" (بروتين INA، أو "البروتين النشط في تكوين نواة الجليد") الموجود على الجدار الخلوي الخارجي للبكتيريا كمركز لتكوين بلورات الجليد. ^{[ 1 ]} يُسهل هذا تكوين الجليد، ومن هنا جاءت تسمية "الجليد المُعزز". تُعد سلالة P. syringae المُفتقرة للجليد طفرة ، تفتقر إلى الجين المسؤول عن إنتاج البروتين السطحي المُعزز لتكوين نواة الجليد. يُوفر هذا النقص في البروتين السطحي بيئة أقل ملاءمة لتكوين الجليد. توجد كلتا السلالتين من P. syringae بشكل طبيعي، ولكن تقنية الحمض النووي المُعاد تركيبه سمحت بالإزالة الاصطناعية أو التعديل لجينات مُحددة، مما مكّن من إنتاج سلالة الجليد المُفتقرة للجليد من سلالة الجليد المُعززة في المختبر.

تُحفز طبيعة بكتيريا Pseudomonas syringae المُحفزة لتكوّن الجليد ، تكوّن الصقيع، مما يؤدي إلى تجميد براعم النبات وتدمير المحصول. من شأن إدخال سلالة من Pseudomonas syringae خالية من الجليد إلى سطح النباتات أن يقلل من كمية نوى الجليد الموجودة، مما يؤدي إلى زيادة غلة المحاصيل. تم تطوير الشكل المُعاد تركيبه كمنتج تجاري يُعرف باسم Frostban . كانت التجارب الميدانية لـ Frostban في عام 1987 أول إطلاق لكائن مُعدل وراثيًا في البيئة. أثارت هذه التجارب جدلًا واسعًا، وساهمت في صياغة سياسة التكنولوجيا الحيوية في الولايات المتحدة. لم يتم تسويق Frostban قط.

لإنتاج سلالة P. syringae الخالية من الجليد بشكل منهجي ، يجب عزل جين تكوين الجليد، وتضخيمه، وتعطيله، ثم إعادة إدخاله إلى بكتيريا P. syringae . تُستخدم الخطوات التالية عادةً لعزل وإنتاج سلالات P. syringae الخالية من الجليد :

1. قم بهضم الحمض النووي لبكتيريا Pseudomonas syringae باستخدام إنزيمات التقييد .
2. أدخل قطع الحمض النووي الفردية في البلازميد . ستندمج القطع بشكل عشوائي، مما يسمح بإنتاج اختلافات مختلفة من الحمض النووي المؤتلف.
3. قم بتحويل بكتيريا الإشريكية القولونية ( E. coli ) باستخدام البلازميد المُعاد تركيبه. سيتم امتصاص البلازميد بواسطة البكتيريا، مما يجعله جزءًا من الحمض النووي للكائن الحي.
4. حدد جين الجليد من بين العديد من سلالات الإشريكية القولونية المُعاد تركيبها حديثًا . ستمتلك سلالات الإشريكية القولونية المُعاد تركيبها التي تحمل جين الجليد النمط الظاهري المُحفز لتكوين الجليد ، وستُسمى هذه السلالات "جليد بلس".
5. بعد تحديد البروتين المؤتلف المحفز لتكوين الجليد، قم بتضخيم جين الجليد باستخدام تقنيات مثل تفاعلات البوليميراز المتسلسل (PCR).
6. إنشاء نسخ متحولة من جين الجليد من خلال إدخال عوامل مطفرة مثل الأشعة فوق البنفسجية لتعطيل جين الجليد، مما يؤدي إلى إنشاء جين "الجليد الناقص".
7. كرر الخطوات السابقة (إدخال الجين في البلازميد، تحويل بكتيريا الإشريكية القولونية ، تحديد السلالات المُعاد تركيبها) مع السلالات الطافرة المُستحدثة لتحديد البكتيريا الحاملة لجين "الجليد السالب". ستمتلك هذه البكتيريا النمط الظاهري المطلوب "الجليد السالب".
8. أدخل جين ice-minus في بكتيريا P. syringae الطبيعية، ice-plus.
9. السماح بإعادة التركيب، مما يؤدي إلى ظهور سلالات من نوع P. syringae ناقصة الجليد وسلالات زائدة الجليد .

في الولايات المتحدة وحدها، تشير التقديرات إلى أن الصقيع يتسبب في أضرار للمحاصيل تُقدر بنحو مليار دولار سنويًا. ونظرًا لأن بكتيريا Pseudomonas syringae تستوطن عادةً أسطح النباتات، فإن قدرتها على تكوين نوى الجليد تُحفز تكوّن الصقيع، مما يؤدي إلى تجميد براعم النبات وتدمير المحصول. إن إدخال سلالة من بكتيريا Pseudomonas syringae خالية من الجليد إلى سطح النباتات سيؤدي إلى منافسة بين السلالتين. فإذا تفوقت هذه السلالة، ستختفي نوى الجليد التي توفرها بكتيريا Pseudomonas syringae ، مما يُقلل من مستوى تكوّن الصقيع على أسطح النباتات عند درجة حرارة تجمد الماء الطبيعية - 0 درجة مئوية (32 درجة فهرنهايت) . حتى لو لم تتفوق السلالة الخالية من الجليد، فإن كمية نوى الجليد الموجودة من بكتيريا Pseudomonas syringae الغنية بالجليد ستنخفض نتيجةً للمنافسة. وسيؤدي انخفاض مستويات تكوّن الصقيع عند درجة حرارة تجمد الماء الطبيعية إلى انخفاض كمية المحاصيل المفقودة بسبب أضرار الصقيع، مما يُحسّن غلة المحاصيل بشكل عام.   

في عام 1961، درس بول هوب، من وزارة الزراعة الأمريكية، فطرًا يصيب الذرة، وذلك بطحن الأوراق المصابة في كل موسم، ثم رشّ المسحوق على محاصيل الذرة التجريبية للموسم التالي لتتبع المرض. ^{[ 2 ]} وفي ذلك العام، حدث صقيع مفاجئ، تاركًا نتائج غريبة. إذ لم تتضرر من الصقيع إلا النباتات المصابة بالمسحوق الملوث، بينما بقيت النباتات السليمة سليمة. حيّرت هذه الظاهرة العلماء حتى اكتشف طالب الدراسات العليا ستيفن ليندو، من جامعة ويسكونسن-ماديسون، بالتعاون مع دي سي أرني وسي أبر، بكتيريا في مسحوق الأوراق المجففة في أوائل سبعينيات القرن الماضي. وجد ليندو، وهو الآن عالم أمراض نباتية في جامعة كاليفورنيا-بيركلي ، أنه عندما تُنقل هذه البكتيريا تحديدًا إلى نباتات لا توجد فيها أصلًا، تصبح هذه النباتات شديدة الحساسية لأضرار الصقيع. وواصل ليندو تحديد البكتيريا على أنها بكتيريا Pseudomonas syringae ، وبحث في دورها في تكوين الجليد، وفي عام 1977، اكتشف السلالة الطافرة الخالية من الجليد. وقد نجح لاحقاً في تطوير سلالة P. syringae الخالية من الجليد من خلال تقنية الحمض النووي المؤتلف أيضاً. ^{[ 3 ]}

في عام 1983، تقدمت شركة "أدفانسد جينيتيك ساينسز" (AGS)، وهي شركة للتكنولوجيا الحيوية، بطلب للحصول على ترخيص من الحكومة الأمريكية لإجراء تجارب ميدانية على سلالة "آيس ماينس" من بكتيريا "بروسيلا سيرينجاي" ، إلا أن جماعات بيئية ومحتجين أخروا هذه التجارب لمدة أربع سنوات عبر طعون قانونية. ^{[ 4 ]} وفي عام 1987، أصبحت سلالة "آيس ماينس" من بكتيريا "بروسيلا سيرينجاي " أول كائن معدل وراثيًا يُطلق في البيئة ^{[ 5 ]} عندما رُش حقل فراولة في كاليفورنيا بهذه السلالة. وكانت النتائج واعدة، إذ أظهرت انخفاضًا في أضرار الصقيع التي لحقت بالنباتات المعالجة. كما أجرى ليندو تجربة على محصول من شتلات البطاطس رُشّت بسلالة "آيس ماينس" من بكتيريا " بروسيلا سيرينجاي" ، ونجح في حماية محصول البطاطس من أضرار الصقيع باستخدام هذه السلالة . ^{[ 6 ]}

في وقت عمل ليندو على بكتيريا Pseudomonas syringae الخالية من الجليد ، كانت الهندسة الوراثية تُعتبر مثيرة للجدل. رفع جيريمي ريفكين ومؤسسته المعنية بالاتجاهات الاقتصادية (FET) دعوى قضائية ضد معاهد الصحة الوطنية الأمريكية (NIH) في المحكمة الفيدرالية لتأجيل التجارب الميدانية، بحجة أن معاهد الصحة الوطنية الأمريكية قد فشلت في إجراء تقييم للأثر البيئي، وفشلت في استكشاف الآثار المحتملة التي قد تُحدثها البكتيريا الخالية من الجليد على النظم البيئية، وحتى على أنماط الطقس العالمية. ^{[ 4 ] [ 7 ]} بمجرد منح الموافقة، تعرض كلا موقعي الاختبار لهجوم من قبل جماعات ناشطة في الليلة التي سبقت إجراء الاختبارات: "اجتذب أول موقع تجريبي في العالم أول مُخرب ميداني في العالم". ^{[ 5 ]} نقلت هيئة الإذاعة البريطانية (BBC) عن آندي كافري من منظمة Earth First! «عندما سمعتُ لأول مرة أن شركة في بيركلي تخطط لإطلاق بكتيريا فروستبان في منطقتي، شعرتُ وكأن سكينًا تُغرز في جسدي. ها أنا ذا مرة أخرى، مقابل دولار واحد، ستغزو العلوم والتكنولوجيا والشركات جسدي ببكتيريا جديدة لم تكن موجودة على هذا الكوكب من قبل. لقد غُزي جسدي بالفعل بالضباب الدخاني والإشعاع والمواد الكيميائية السامة في طعامي، ولم أعد أحتمل ذلك.» ^{[ 5 ]}

أجبرت الدعوى القضائية الناجحة التي رفعها ريفكين إدارة ريغان على الإسراع في وضع سياسة تنظيمية شاملة لتوجيه عملية صنع القرار الفيدرالي بشأن التكنولوجيا الحيوية الزراعية. وفي عام 1986، أصدر مكتب سياسة العلوم والتكنولوجيا الإطار المنسق لتنظيم التكنولوجيا الحيوية ، والذي لا يزال يحكم القرارات التنظيمية في الولايات المتحدة. ^{[ 4 ]}

أدت هذه القضية المثيرة للجدل إلى ابتعاد العديد من شركات التكنولوجيا الحيوية عن استخدام الكائنات الحية الدقيقة المعدلة وراثيًا في الزراعة. ^{[ 8 ]}

• بروتينات تكوين الجليد البكتيرية

• معلومات جينومية عن بكتيريا Pseudomonas syringae من مشروع تفاعل البكتيريا مع النباتات بجامعة كورنيل، مؤرشفة بتاريخ 26 مارس 2023 على موقع Wayback Machine.