المادة المظلمة الميكروبية

علم الميتاجينوميات هو تقنية في مجال الدراسات الميكروبية تُمكّننا من تحديد تسلسل الحمض النووي مباشرةً من عينات البيئات الميكروبية. تسمح لنا هذه التقنية المبتكرة بتحديد المادة الوراثية للميكروبات غير المعروفة وتجنب الاعتماد المفرط على الاستزراع. يختلف استخدام الميتاجينوميات عن الطرق الميكروبية الأخرى في أنه يستخدم وصفًا شاملاً من خلال استخدام عينات كبيرة. وقد وسّعت هذه التقنية فهمنا لوظائف الميكروبات في النظم البيئية من خلال اكتشاف جينات ومسارات أيضية جديدة. ^{[ 16 ]}

أظهرت أساليب علم الجينوم أحادي الخلية إمكانات واعدة في دعم مناهج علم الجينوم البيئي، إذ تتيح دراسة الخلايا الميكروبية الفردية المعزولة من بيئاتها الطبيعية. وقد استُخدمت هذه الطريقة للكشف عن التنوع الجينومي والوظيفي داخل المجتمعات الميكروبية، لا سيما تلك التي لا يمكن استزراعها. كما نجحت تقنيات الخلية الواحدة في تحديد العديد من الفروع الجديدة على شجرة الحياة، مما يوفر رؤى ثاقبة حول الثغرات في الفهم الحالي للتطور السلالي والإمكانات الأيضية لهذه الكائنات. ^{[ 17 ]}

على الرغم من بروز أساليب غير معتمدة على الاستزراع كطرق ناجحة لأبحاث المادة المظلمة، إلا أن تحسين تقنيات الاستزراع لا يزال ذا أهمية بالغة وضروريًا لتعزيز فهمنا الحالي لميكروبات الرصد الميكروبي. وفي هذا السياق، أظهرت التطورات في أساليب مثل أوساط النمو عالية التخصص لمحاكاة البيئات الميكروبية الطبيعية، والاستزراع المشترك لأنواع ميكروبية متآزرة، نجاحًا في دراسة ميكروبات كانت سابقًا غير قابلة للاستزراع. كما تُسهم هذه التطورات في تسهيل تطبيق أبحاث الرصد الميكروبي في التطبيقات البيوتكنولوجية والفيزيولوجية. ^{[ 18 ]}

تُنتج الدراسات الجينومية كميات هائلة من البيانات التي تتطلب تحليلاً. ويتطلب هذا التحليل استخدام مكونات حاسوبية متقدمة. وقد استخدم فرع المعلوماتية الحيوية، وهو فرع علمي فرعي، التكنولوجيا الحاسوبية لجمع الجينومات وإجراء تحليلات على المسارات الأيضية. في السنوات الأخيرة، أثمرت الأبحاث في مجال الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي عن طرق جديدة لتعزيز قدرتنا على التنبؤ بسلوك الأنواع الميكروبية باستخدام بياناتها الجينية. ^{[ 19 ]} تُعد الجينومات المُجمَّعة من الميتاجينوم (MAGs) مثالاً على هذه التقنية الناشئة، حيث تُجمَّع أجزاء تسلسل الحمض النووي من المادة الجينومية المُدمجة لمجتمعات ميكروبية متنوعة، مما يُتيح إعادة بناء الجينومات باستخدام أساليب التجميع الحاسوبية. ^{[ 20 ] [ 21 ]} وقد سمحت لنا هذه التطورات الجديدة في عالم الأدوات الحاسوبية بفهم أعمق لبنية وديناميكيات المجتمعات الميكروبية.

أدت القيود التي تفرضها كل من الطرق غير المعتمدة على الاستزراع وطرق الاستزراع التقليدية إلى ظهور استراتيجية جديدة لتحسين استخلاص وتحديد المادة الميكروبية غير المعروفة. ^{[ 8 ]} يهدف علم الاستزراع الميكروبي (Culturomics) إلى تهيئة بيئات تحاكي الظروف الطبيعية التي توجد فيها الميكروبات، مما يتيح عزلها وتحديدها وتحليلها. ^{[ 9 ]} يعتمد هذا العلم على ظروف استزراع عالية الإنتاجية ، تتنوع فيها الأوساط ودرجة الحموضة ودرجة الحرارة والظروف الجوية، لتمكين استزراع وعزل عينات كبيرة ومتنوعة في آن واحد. ^{[ 8 ]} يُستخدم هذا بالتزامن مع مطياف الكتلة بتقنية التأين بالليزر بمساعدة المصفوفة ( MALDI-ToF ) لتحديد الأنواع المعزولة. ^{[ 9 ]} ويمكن الاستعانة بتسلسل جين 16S rRNA لإجراء مزيد من التحديد التصنيفي عند الحاجة. ^{[ 22 ]} لقد حقق علم زراعة الكائنات الحية نتائج مهمة بالفعل في زراعة المادة المظلمة الميكروبية، حيث أسفرت دراسة واحدة عن اكتشاف 31 نوعًا وجنسًا بكتيريًا جديدًا، بالإضافة إلى تحديد ما مجموعه 416 نمطًا وراثيًا لم يكن من الممكن زراعتها سابقًا . ^{[ 23 ]}

شريحة العزل (IChip) تقنية حديثة نسبيًا تتيح استزراع الكائنات الدقيقة التي كانت سابقًا غير قابلة للاستزراع. ^{[ 24 ]} تتميز شريحة العزل بقدرتها الفريدة على الحفاظ على البكتيريا في بيئتها الطبيعية من خلال نقل هذه البيئة إلى المختبر باستخدام تقنيات الاستزراع الموضعي . ^{[ 25 ]} ويتم ذلك عن طريق استزراع وعزل الكائنات الدقيقة بوضع خلايا منفردة في حجرات انتشار صغيرة؛ حيث يحيط بهذه الحجرات غشاء شبه منفذ، مما يسمح للمغذيات والعوامل البيئية المهمة من البيئة الطبيعية بالانتشار إليها دون حركة الخلايا. ^{[ 26 ] [ 27 ]} وقد حسّنت التطورات اللاحقة شريحة العزل من خلال دمج تقنيات مثل فرز الخلايا المنشط بالفلورة (FACS)؛ مما يسمح بدقة أعلى في عزل الخلايا المفردة من خلال فرزها مباشرة في الآبار. وقد أظهرت شريحة العزل FACS-iChip نتائج واعدة في تحقيق معدلات استعادة استزراع أعلى بكثير مقارنةً بالطرق التقليدية. ^{[ 28 ]}

لعبت المؤشرات الجزيئية وتقنيات التسلسل دورًا محوريًا في اكتشاف الكائنات المتطرفة، ووسعت نطاق دراسة المادة الميكروبية المظلمة. ^{[ 32 ]} لا يزال العديد من أفراد المادة الميكروبية المظلمة غير قابل للاستزراع إما بسبب تفضيلهم أو حاجتهم للنمو في بيئات قاسية ومتطرفة، ومن المرجح أن الغالبية العظمى منهم يمتلكون تكيفات فريدة للعيش في هذه البيئات. ^{[ 11 ] [ 33 ]}

تزدهر إحدى الكائنات المحبة للظروف القاسية، والمعروفة باسم الكائنات المحبة للأحماض ، في بيئات حمضية ذات درجة حموضة منخفضة . وإلى جانب قدرتها على البقاء في البيئات الحمضية، تتميز هذه الكائنات بقدرتها على البقاء في بيئات ذات مستويات مرتفعة من المعادن الثقيلة، ودرجات حرارة عالية، وعوامل إجهاد مرتبطة بالكلوريد، و/أو إجهاد أسموزي. ^{[ 34 ]} ومن أهم التكيفات التي طورتها هذه الكائنات قدرتها على استخلاص الطاقة من خلال أكسدة الكبريت في بيئتها، وذلك عن طريق إنتاج إنزيمات أوكسيدوريدوكتاز الكبريت . ^{[ 35 ]}

يبدو أن الكائنات المحبة للملوحة ، وهي بكتيريا وعتائق وبعض الفطريات التي تزدهر في بيئات ذات تركيزات ملحية عالية جدًا، تمتلك استراتيجية فريدة تتضمن تراكم الأملاح والمواد المذابة من بيئتها داخل الخلية نفسها، مما يساعد على الحفاظ على الضغط الأسموزي . ^{[ 33 ] [ 35 ]} وهذا بدوره يحمي هذه الكائنات من الجفاف، ومن انكماش الخلية نتيجة جفاف السيتوبلازم. ^{[ 35 ]}

تم استخلاص هذه السلالة البكتيرية تحديدًا من بين 12 سلالة أخرى من بكتيريا مارينيلايبلاس باستخدام طريقة الأحماض الدهنية قصيرة السلسلة ، مع ملاحظة طبيعة سكونها الطويلة. ^{[ 36 ] [ 37 ]} يمكن أن يؤثر الجمع بين أحماض دهنية قصيرة السلسلة مختلفة على تقصير فترة السكون ، وذلك اعتمادًا على الوسط الغذائي المستخدم في الاختبار. في اليوم الخامس من النمو، تتوقف الخلايا عن التكاثر وتبقى في حالة سكون، سواءً بوجود الأحماض الدهنية كمغذٍّ أو بدونها، في ظل ظروف لاهوائية . لا يُلاحظ أي نمو خلال الأيام الخمسة الأولى، إلا أن البكتيريا تشهد مرحلة تكاثر سريعة ومفاجئة في اليوم الثاني عشر. يحدث هذا النمو المفاجئ سواءً بوجود الأحماض الدهنية قصيرة السلسلة أو بدونها. على الرغم من سكون الخلايا، إلا أنها تظل حية عند تلوينها بصبغة SYTO 9 الحمراء. يُلاحظ أن حالة السكون في الوسط الغذائي تتأثر بالإجهاد الناتج عن نقص المغذيات في درجات حرارة منخفضة جدًا . ^{[ 36 ]} في درجة حرارة 4 مئوية، قد يتوقف نمو السلالة المحددة خلال 7 أيام في ظل الإجهاد الناتج عن انخفاض درجة الحرارة. وقد أظهرت بيانات التحليل الميتا-ترانسكريبتومي الحديثة أن هذه السلالة المحددة تُظهر تغيرًا أيضيًا يتراوح بين الانخفاض والارتفاع، وهو ما لوحظ في بكتيريا مارينيلابيلياس . ^{[ 36 ]} لوحظ أن تخزين سلالة مارينيلابيلياس سالمونيكولور في درجة حرارة 4 مئوية لمدة 98 يومًا يحفزها على الدخول في استجابة قابلة للحياة ولكنها غير قابلة للزراعة .

ينتمي هذا الكائن الحي إلى عائلة العتائق ، وقد تم الكشف عنه باستخدام بادئات الحمض النووي الريبوزي 16S وتحليل iTAG. ينمو هذا الكائن جنبًا إلى جنب مع كائنات لاهوائية، وتحديدًا من جنسي Halodesulfovibrio و Methanogenium . ^{[ 38 ]} يؤثر كلا الجنسين على نمو MK-D1، إذ لا يستطيع النمو بمفرده دونهما. يعتمد MK-D1 في معظم غذائه على تبادل الأحماض الأمينية أو الببتيدات مع كلا الجنسين لتبادل الهيدروجين والفورمات . يستخدم هذا الكائن شركاءه التكافليين للتعايش في البيئات اللاهوائية. في حال انخفاض وفرة Halodesulfovibrio، يتحول MK-D1 إلى التعاون مع Methanogenium كمصدر للغذاء. يتراوح زمن تضاعف دورة حياة MK-D1 بين 14 و25 يومًا، ويختلف باختلاف كمية الطاقة التي تستخدمها الكائنات الأخرى ومعدل نموها. يستغرق تكوين مزرعة نقية حوالي 12 عامًا، وذلك بسبب أقصى مدة زمنية لازمة للنمو. ^{[ 38 ]}

أظهرت دراسات الميتاجينوم الحديثة نسبيًا أن العديد من الكائنات الحية غير القابلة للزراعة قد تشارك في علاقات تكافلية مع كائنات حية أخرى في بيئتها، معتمدةً على بعضها البعض للبقاء. ^{[ 13 ]} ومن الأمثلة على ذلك، الميكروبات التي تعيش في بيئات مشعة، حيث تُنتج هذه الميكروبات إنزيمات البيروكسيداز لمنع جزيئات الأكسجين شديدة التفاعل من إتلافها وإتلاف الميكروبات الأخرى في البيئة، وبالتالي توفر الحماية المتبادلة. ^{[ 13 ]} بل إن بعض الكائنات المحبة للأحماض قد تُشفّر مسارات أيضية ضرورية لأفراد آخرين من جنسها، فتقوم بعمليات مثل تحلل الجلوكوز والأكسدة لصالح كائنات أخرى من نفس الجنس. ^{[ 39 ]}

يبدو أن أعضاء مجموعة المادة المظلمة الميكروبية يمتلكون مسارات كيميائية حيوية فريدة بشكل ملحوظ ، مما يسمح بإنتاج العديد من المنتجات الجديدة، مثل المضادات الحيوية والإنزيمات وغيرها. ^{[ 12 ] [ 14 ]} ومن الأمثلة البارزة على منتج أيضي فريد من كائن حي غير قابل للزراعة، التيكسوباكتين، الذي يبدو أنه فئة جديدة من المضادات الحيوية التي قد يكون لها تأثيرات واسعة النطاق ضد العديد من البكتيريا. ^{[ 14 ]} وكما هو الحال مع المتعايشات المذكورة سابقًا، تستخدم المادة المظلمة الميكروبية منتجات أيضية أخرى لمكافحة أنواع الأكسجين التفاعلية، مثل البيروكسيداز ومضادات الأكسدة العامة الأخرى. ^{[ 40 ] [ 12 ]} ومن المرجح اكتشاف المزيد من المنتجات الأيضية الفريدة مع استمرار تسلسل ودراسة المزيد من أعضاء المادة المظلمة الميكروبية، على الرغم من صعوبة دراسة جينوماتها وعدم إمكانية زراعتها. ^{[ 14 ] [ 12 ]}

• المادة المظلمة البيولوجية
• علم البيئة الميكروبية
• علم الأحياء الدقيقة