ميثانوسارسينا

الميثانوسارسينا جنس من العتائق واسعة النطاق (يورياركيوت) التي تنتج غاز الميثان . تُعرف هذه الكائنات وحيدة الخلية باسم الميثانوجينات اللاهوائية ، حيث تنتج الميثان باستخدام جميع المسارات الأيضية الثلاثة لتكوين الميثان . تعيش هذه الكائنات في بيئات متنوعة حيث يمكنها البقاء بمنأى عن تأثيرات الأكسجين، سواء على سطح الأرض، أو في المياه الجوفية، أو في فتحات أعماق البحار، أو في الجهاز الهضمي للحيوانات. تنمو الميثانوسارسينا في مستعمرات.

اكتُشف الحمض الأميني بيروليسين لأول مرة في نوع من أنواع الميثانوسارسينا ، وهو الميثانوسارسينا باركيري . كما عُثر على نسخ بدائية من الهيموجلوبين في الميثانوسارسينا أسيتيفورانس ، مما يشير إلى أن هذا الميكروب أو أحد أسلافه ربما لعب دورًا حاسمًا في تطور الحياة على الأرض. وتُعرف أنواع الميثانوسارسينا أيضًا بجينوماتها الكبيرة بشكل غير عادي، إذ يمتلك الميثانوسارسينا أسيتيفورانس أكبر جينوم معروف بين جميع أنواع العتائق.

وفقًا لنظرية نُشرت عام ٢٠١٤، يُحتمل أن يكون ميكروب الميثانوسارسينا مسؤولًا بشكل كبير عن أكبر انقراض جماعي في تاريخ الأرض، وهو انقراض العصر البرمي-الترياسي . تشير النظرية إلى أن اكتساب مسار أيضي جديد عبر نقل الجينات، متبوعًا بتكاثر هائل، مكّن الميكروب من استهلاك كميات هائلة من الكربون العضوي في الرواسب البحرية بسرعة، مما أدى إلى تراكم حاد للميثان وثاني أكسيد الكربون في محيطات الأرض وغلافها الجوي، الأمر الذي قضى على حوالي ٨٠٪ من أنواع الكائنات الحية في العالم. قد تُفسر هذه النظرية مستوى نظائر الكربون الملحوظ في رواسب العصر البرمي-الترياسي بشكل أفضل من نظريات أخرى، مثل النشاط البركاني.

استُخدمت بكتيريا الميثانوسارسينا في معالجة مياه الصرف الصحي منذ منتصف ثمانينيات القرن الماضي. وقد سعى الباحثون إلى إيجاد طرق لاستخدامها كمصدر بديل للطاقة. تمت زراعة سلالات الميثانوسارسينا في شكل خلية واحدة ( ساورز وآخرون، 1993 ) عند درجة حرارة 35 درجة مئوية (95 درجة فهرنهايت) في وسط مرق HS يحتوي على 125 ملي مول من الميثانول بالإضافة إلى 40 ملي مول من أسيتات الصوديوم (وسط HS-MA).  

قد تكون بكتيريا الميثانوسارسينا هي الوحيدة المعروفة من بين الميثانوجينات اللاهوائية التي تنتج الميثان باستخدام المسارات الأيضية الثلاثة المعروفة لتكوين الميثان . يُعدّ تكوين الميثان بالغ الأهمية لصناعة معالجة النفايات، كما يُمثّل الميثان المُنتَج بيولوجيًا مصدرًا مهمًا للوقود البديل. تُنتج معظم الميثانوجينات الميثان من ثاني أكسيد الكربون وغاز الهيدروجين ، بينما تستخدم أنواع أخرى الأسيتات في المسار الأسيتوكلاستي . إضافةً إلى هذين المسارين، تستطيع أنواع الميثانوسارسينا أيضًا استقلاب مركبات الكربون الأحادي المُمَثْيَلة من خلال تكوين الميثان الميثيلوتروفي . تشمل هذه المركبات أحادية الكربون الميثيل أمينات والميثانول وميثيل ثيولات . ^{[ 1 ]} تمتلك أنواع الميثانوسارسينا وحدها المسارات الثلاثة المعروفة لتكوين الميثان، وهي قادرة على استخدام ما لا يقل عن تسعة ركائز ميثانوجينية، بما في ذلك الأسيتات.

تُعدّ بكتيريا الميثانوسارسينا من أكثر أنواع الميثانوجينات تنوعًا في العالم من حيث البيئة . توجد هذه البكتيريا في بيئات متنوعة، مثل مكبات النفايات، وأكوام مياه الصرف الصحي، وفتحات أعماق البحار، والمياه الجوفية العميقة، وحتى في أمعاء العديد من ذوات الحوافر ، بما في ذلك الأبقار والأغنام والماعز والغزلان. ^{[ 1 ]} كما وُجدت أيضًا في الجهاز الهضمي البشري. ^{[ 2 ]} تستطيع بكتيريا الميثانوسارسينا باركيري تحمّل تقلبات درجات الحرارة الشديدة والبقاء دون ماء لفترات طويلة. ويمكنها استهلاك مجموعة متنوعة من المركبات أو البقاء على قيد الحياة بالاعتماد فقط على الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون. ^{[ 3 ]} كما يمكنها البقاء على قيد الحياة في بيئات منخفضة الحموضة تُعتبر عادةً خطرة على الحياة. ^{[ 4 ]} ونظرًا لتعدد استخداماتها، افترض عالم الأحياء كيفن ساورز أن بكتيريا الميثانوسارسينا باركيري قد تتمكن حتى من البقاء على قيد الحياة على سطح المريخ. ^{[ 3 ]} تنمو بكتيريا الميثانوسارسينا في مستعمرات وتُظهر تمايزًا خلويًا بدائيًا. ^{[ 1 ]}

في عام ٢٠٠٢، اكتشف باحثون من جامعة ولاية أوهايو الحمض الأميني بيروليسين في بكتيريا M. barkeri . ^{[ ٥ ]} وقد أظهرت أبحاث سابقة أجراها الفريق أن أحد جينات M. barkeri يحتوي على كودون كهرماني (UAG) ضمن الإطار المفتوح للقراءة، لا يشير إلى نهاية البروتين كما هو متوقع عادةً. أشار هذا السلوك إلى احتمال وجود حمض أميني غير معروف، وهو ما تأكد على مدى عدة سنوات من خلال تقطيع البروتين إلى ببتيدات وتسلسلها. كان بيروليسين أول حمض أميني مشفر جينيًا يُكتشف منذ عام ١٩٨٦، والحمض الأميني الثاني والعشرين إجمالًا. ^{[ ٦ ]} وقد وُجد لاحقًا في جميع أنحاء عائلة Methanosarcinaceae ، بالإضافة إلى بكتيريا واحدة هي Desulfitobacterium hafniense .

يمتلك كل من M. acetivorans و M. mazei جينومات كبيرة بشكل استثنائي . ففي أغسطس 2008، كان جينوم M. acetivorans هو الأكبر بين جينومات العتائق المتسلسلة، حيث بلغ طوله 5,751,492 زوجًا من القواعد . أما جينوم M. mazei فيبلغ طوله 4,096,345 زوجًا من القواعد. ^{[ 1 ]}

تتكون أغشية خلايا الميثانوسارسينا من دهون قصيرة نسبياً، تتألف أساساً من هيدروكربونات C25 وإيثرات C20. أما معظم أنواع الميثانوجينات الأخرى فتتكون من هيدروكربونات C30 ومزيج من إيثرات C20 وC40. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

يعتمد التصنيف المقبول حاليًا على قائمة أسماء بدائيات النوى ذات المكانة في التسمية (LPSN) ^{[ 9 ]} والمركز الوطني لمعلومات التكنولوجيا الحيوية (NCBI). ^{[ 10 ]}

Species incertae sedis:

• " Methanosarcina baikalica " Zhilina et al. 2025
• " Methanosarcina calensis " Blotevogel et al.
• " Methanosarcina hadiensis " جيمينيز وآخرون. 2024
• ميثانوسارسينا ميثانيكا (سميت 1930) كلويفر وفان نيل 1936

في عام ٢٠٠٤، اكتُشف نوعان بدائيان من الهيموجلوبين في بكتيريا M. acetivorans وفي نوع آخر من العتائق يُدعى Aeropyrum pernix . ^{[ ١٧ ]} تُعرف هذه البروتينات باسم البروتوجلوبينات ، وترتبط بالأكسجين كما يفعل الهيموجلوبين. في بكتيريا M. acetivorans ، يسمح هذا الارتباط بإزالة الأكسجين غير المرغوب فيه والذي قد يكون سامًا لهذا الكائن اللاهوائي. وبالتالي، ربما مهدت البروتوجلوبينات الطريق لتطور أشكال الحياة اللاحقة التي تعتمد على الأكسجين. ^{[ ١٨ ]} بعد حدث الأكسجة العظيم ، وبمجرد وجود أكسجين حر في الغلاف الجوي للأرض، أدت القدرة على معالجة الأكسجين إلى انتشار واسع للحياة، وهي إحدى أهم المراحل الأساسية في تطور أشكال الحياة على الأرض. ^{[ ١٧ ]}

استلهم فريق من الباحثين في جامعة ولاية بنسلفانيا ، بقيادة جيمس جي. فيري وكريستوفر هاوس، من بكتيريا M. acetivorans ، فاقترحوا في عام 2006 "نظرية ديناميكية حرارية جديدة للتطور". فقد لاحظوا أن هذه البكتيريا تحوّل أول أكسيد الكربون إلى أسيتات ، وافترض العلماء أن "الخلايا الأولية" الملتصقة بالمعادن ربما استخدمت إنزيمات بدائية لتوليد الطاقة أثناء إفراز الأسيتات. وبالتالي، سعت النظرية إلى توحيد نظرية "التغذية غير الذاتية" للتطور المبكر، حيث نشأت المكونات الأولية من عمليات غير بيولوجية، ونظرية "التغذية الكيميائية الذاتية"، حيث أنتجت الكائنات الحية الأولى معظم الجزيئات البسيطة. ولاحظ الباحثون أنه على الرغم من أن "الجدل بين نظريتي التغذية غير الذاتية والكيميائية يدور حول تثبيت الكربون"، إلا أن "هذه المسارات تطورت في البداية لإنتاج الطاقة، ثم تطورت لاحقًا لتثبيت الكربون". ^{[ ٢ ]} اقترح العلماء أيضًا آلياتٍ سمحت للخلية الأولية المرتبطة بالمعادن بأن تصبح حرة المعيشة، ولتطور استقلاب الأسيتات إلى الميثان، باستخدام المسارات نفسها القائمة على الطاقة. وتكهنوا بأن بكتيريا M. acetivorans كانت من أوائل أشكال الحياة على الأرض، وهي سلالة مباشرة من الخلايا الأولية المبكرة. نُشر البحث في مجلة علم الأحياء الجزيئي والتطور في يونيو ٢٠٠٦. ^{[ ٢ ]}

اقترح باحثون مؤخرًا فرضية تطورية لإنزيم أسيتات كيناز وإنزيم فوسفوأسيتيل ترانسفيراز، مستندين إلى أدلة جينومية من بكتيريا ميثانوسارسينا . ^{[ 19 ]} يفترض العلماء أن إنزيم أسيتات كيناز قد يكون اليوروكيناز في عائلة بروتينية فائقة رئيسية تضم الأكتين . ^{[ 20 ]} تشير الأدلة إلى أن إنزيم أسيتات كيناز تطور في جينوم ميثانوسارسينا قديم محب للملوحة من خلال تضاعف وتفرع جين أسيتيل كوإنزيم أ سينثيتاز . ^{[ 19 ]}

افترض الباحثون أن إنتاج الميثان بواسطة بكتيريا ميثانوسارسينا ربما كان أحد أسباب انقراض العصر البرمي-الترياسي . وتشير التقديرات إلى أن 70% من الكائنات الصدفية نفقت نتيجة تحمض المحيطات، بسبب تكاثر بكتيريا ميثانوسارسينا بشكل مفرط . ^{[ 21 ]} وتدعم دراسة أجراها باحثون صينيون وأمريكيون هذه الفرضية. فباستخدام التحليل الجيني لحوالي 50 جينومًا من ميثانوسارسينا ، خلص الفريق إلى أن هذه البكتيريا اكتسبت على الأرجح القدرة على استهلاك الأسيتات بكفاءة باستخدام إنزيمي أسيتات كيناز وفوسفوأسيتيل ترانسفيراز قبل حوالي 240 ± 41 مليون سنة، ^{[ أ ]} أي في نفس وقت حدث الانقراض تقريبًا قبل 252 مليون سنة. ^{[ 21 ]} ويُحتمل أن تكون جينات هذه الإنزيمات قد اكتُسبت من بكتيريا محللة للسليلوز عبر نقل الجينات . ^{[ 22 ]} يلعب نقل الجينات دورًا مهمًا في تكيف أنواع الميثانوسارسينا مع بيئاتها الخاصة، حيث تحتوي جينومات بعض الأنواع على ما يصل إلى 31% من الجينات المكتسبة عن طريق نقل الجينات، مثل الميثانوسارسينا مازي. ^{[ 23 ]}

خلص العلماء إلى أن هذه الجينات الجديدة، بالإضافة إلى رواسب الكربون العضوي المتوفرة بكثرة ^في المحيطات ووفرة النيكل ، سمحت لتكاثر بكتيريا الميثانوسارسينا بالزيادة بشكل كبير. ووفقًا لنظريتهم، أدى ذلك إلى إطلاق كميات وفيرة من غاز الميثان كنفايات. ^{[ 22 ]} بعد ذلك، تحلل جزء من الميثان إلى ثاني أكسيد الكربون بواسطة كائنات حية أخرى. ^{[ 24 ] وكان من شأن تراكم هذين الغازين أن يتسبب في انخفاض حاد في} مستويات الأكسجين في المحيط، مع زيادة حموضته . وفي الوقت نفسه ^، شهدت المناخات البرية ارتفاعًا في درجات الحرارة وتغيرًا مناخيًا كبيرًا نتيجة انبعاث هذه الغازات الدفيئة في الغلاف الجوي. ومن المحتمل أن يكون تراكم ثاني أكسيد الكربون والميثان في الغلاف الجوي قد تسبب في نهاية المطاف في انبعاث غاز كبريتيد الهيدروجين ، مما زاد من الضغط على الحياة البرية. نُشرت نتائج الفريق في وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في مارس 2014. ^{[ 21 ]}

يجادل أنصار نظرية الميكروبات بأنها تُفسر بشكل أفضل الارتفاع السريع، وإن كان مستمرًا، لمستوى نظائر الكربون في رواسب العصر الحجري القديم، مقارنةً بالثوران البركاني الذي يُسبب ارتفاعًا حادًا في مستويات الكربون يتبعه انخفاض تدريجي. ^{[ 22 ]} تشير نظرية الميكروبات إلى أن النشاط البركاني لعب دورًا مختلفًا، حيث وفّر النيكل الذي تحتاجه بكتيريا الميثانوسارسينا كعامل مساعد . وبالتالي، ترى نظرية الميكروبات أن النشاط البركاني في سيبيريا كان عاملًا مساعدًا، وليس السبب الرئيسي للانقراض الجماعي. ^{[ 25 ]}

في عام 1985، طورت شركة شيميزو للإنشاءات مفاعلاً حيوياً يستخدم بكتيريا الميثانوسارسينا لمعالجة مياه الصرف الصحي من مصانع تجهيز الأغذية ومصانع الورق. تُضخ المياه إلى المفاعل حيث تقوم الميكروبات بتحليل جزيئات النفايات. ثم يُستخدم غاز الميثان الناتج عن هذه البكتيريا لتشغيل المفاعل، مما يجعله منخفض التكلفة. في الاختبارات، خفضت الميثانوسارسينا تركيز النفايات من 5000 إلى 10000 جزء في المليون إلى 80-100 جزء في المليون. وكانت هناك حاجة إلى مزيد من المعالجة لإتمام عملية التنظيف. ^{[ 26 ]} ووفقًا لتقرير نُشر عام 1994 في مجلة الكيمياء والصناعة ، فإن المفاعلات الحيوية التي تستخدم الهضم اللاهوائي بواسطة بكتيريا الميثانوثريكس سوهنجيني أو الميثانوسارسينا تُنتج كمية أقل من الحمأة كمخلفات ثانوية مقارنةً بنظيراتها الهوائية. تعمل مفاعلات الميثانوسارسينا في درجات حرارة تتراوح بين 35 و55  درجة مئوية، ودرجة حموضة تتراوح بين 6.5 و7.5. ^{[ 27 ]}

سعى الباحثون إلى إيجاد طرق للاستفادة من قدرات بكتيريا الميثانوسارسينا على إنتاج الميثان على نطاق أوسع كمصدر بديل للطاقة. في ديسمبر 2010، نجح باحثون من جامعة أركنساس في إدخال جين إلى بكتيريا الميثانوسارسينا أسيتيفورانس، مما مكّنها من تحليل الإسترات . وأشاروا إلى أن هذا سيُمكّنها من تحويل الكتلة الحيوية إلى غاز الميثان بكفاءة أكبر لإنتاج الطاقة. ^{[ 28 ]} وفي عام 2011، تبيّن أن معظم الميثان الناتج أثناء التحلل في مكبات النفايات يأتي من بكتيريا الميثانوسارسينا باركيري . ووجد الباحثون أن هذه البكتيريا قادرة على البقاء في بيئات منخفضة الحموضة، وأنها تستهلك الأحماض، مما يرفع درجة الحموضة ويسمح بازدهار نطاق أوسع من الكائنات الحية. وأكدوا أن نتائجهم قد تُسهم في تسريع الأبحاث المتعلقة باستخدام الميثان الناتج عن العتائق كمصدر بديل للطاقة. ^{[ 4 ]}

• قائمة أجناس العتائق

• تجميع أحجية الحياة من مجلة علم الأحياء الفلكي (17 مايو 2006)
• ميثانوسارسينا من عالم الأحياء الميكروبية في كلية كينيون
• تحليل مقارن لجينومات ميثانوسارسينا (في نظام IMG التابع لوزارة الطاقة الأمريكية )
• مشاريع جينوم الميثانوسارسينا (من قاعدة بيانات الجينومات على الإنترنت )
• ميثانوسارسينا في باك دايف - قاعدة بيانات التنوع البكتيري