علماء يستنبتون ميكروبات مراوغة من أعماق البحار هي الأقرب إلى الحياة المعقدة

في إنجاز تاريخي لعلم الأحياء الدقيقة التطوري، نجح باحثون في اليابان في عزل واستنبات سلالتين حيّتين من Heimdallarchaeia، وهي كائنات دقيقة تعيش في أعماق البحار وتُعد أقرب الأقارب بدائية النواة المعروفة لجميع أشكال الحياة المعقدة على الأرض. ويمنح هذا الإنجاز، الذي قاده العالمان Hiroyuki Imachi وMasaru K. Nobu من Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology، إلى جانب Satoshi Nakagawa من Kyoto University، الباحثين أول فرصة لدراسة هذه الكائنات الحية الهشة مباشرة في ظل ظروف مخبرية خاضعة للرقابة بدلاً من الاعتماد حصراً على تسلسلات جينية مجزأة جُرفت من رواسب المحيطات.

## حقائق رئيسية

- نجح علماء الأحياء الدقيقة البحرية بقيادة Hiroyuki Imachi وMasaru K. Nobu وSatoshi Nakagawa في عزل واستنبات سلالتين تنتميان إلى طائفة Heimdallarchaeia. - يمثل الفريق البحثي شراكة بين Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology (JAMSTEC) وKyoto University. - تنتمي Heimdallarchaeia إلى شعبة Asgard archaea العليا، وهي سلالة قديمة من الكائنات وحيدة الخلية تشير البيانات الجينومية إلى أنها نشأت عنها حقيقيات النوى. - تشمل حقيقيات النوى جميع الكائنات الحية التي تمتلك نوى خلوية محاطة بأغشية، بما في ذلك جميع الحيوانات والنباتات والفطريات والطلائعيات. - يتغلب استنبات هذه الكائنات على عقبات بيولوجية جسيمة، إذ غالباً ما تنقسم Asgard archaea مرة واحدة فقط كل بضعة أسابيع، وتتطلب ظروف نمو لاهوائية وتكافلية صارمة.

## ما حدث

وفقاً لما أورده موقع phys.org، تمكن الكونسورتيوم العلمي بقيادة Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology (JAMSTEC) وKyoto University من تحقيق استنبات مخبري طويل الأمد وعزل سلالتين متمايزتين من Heimdallarchaeia. وقبل هذا العمل، كان رصد Heimdallarchaeia يتم بالكامل تقريباً عبر تسلسل الحمض النووي البيئي — وهي تقنية تُعرف باسم الميتاجينوميات — مما جعل العلماء يفتقرون إلى عينات مادية حية لمراقبة السلوك الخلوي والنشاط الأيضي والبنى الفيزيائية.

وينطوي استنبات الكائنات الحية من الرواسب البحرية العميقة على صعوبات تجريبية استثنائية. فالعديد من هذه العتائق عميقة التفرع تعيش في بيئات قاسية ومحدودة الطاقة في أعماق قاع البحر. وفي هذه الموائل، تمتلك الخلايا الميكروبية أزمنة تضاعف تمتد لأسابيع أو أشهر، مقارنة بزمن تضاعف يبلغ نحو عشرين دقيقة لبكتيريا المختبر الشائعة مثل Escherichia coli. ويتطلب استنباتها إعادة تهيئة ظروف كيميائية وحرارية وبيولوجية دقيقة، وغالباً ما يتطلب وجود ميكروبات مرافقة — تُعرف بالشركاء التكافليين (syntrophic partners) — تستهلك نواتج الفضلات الأيضية مثل الهيدروجين أو الفورمات لجعل التفاعلات الديناميكية الحرارية قابلة للحدوث.

واعتمدت الأبحاث التي قادها Imachi وNobu وNakagawa على سنوات من بروتوكولات الاستنبات المنهجية المصممة لحث الكائنات البحرية بطيئة النمو على التكاثر داخل أنظمة مفاعلات حيوية مستقرة. ومن خلال النجاح في توطين سلالات Heimdallarchaeia ضمن مستنبتات مخبرية قابلة للحياة، حصل الباحثون على خطوط خلوية مادية يمكن إخضاعها مباشرة للمجهر الإلكتروني عالي الدقة، وتحديد خصائص الأيض، والتحليل الكيميائي الحيوي، والتجارب المخبرية الخاضعة للرقابة.

## لماذا تكمن الأهمية

يمثل الانتقال من ميكروبات بسيطة وحيدة الخلية تفتقر إلى المقصورات الداخلية إلى خلايا حقيقية النواة معقدة تحتوي على نوى وعضيات وأنظمة أغشية داخلية أحد أهم الأحداث التطورية في تاريخ الأرض الممتد على مدار 4.5 مليار سنة. فكل كائن متعدد الخلايا وُجد على الإطلاق — من أشجار الخشب الأحمر إلى الحيتان الزرقاء والبشر — هو من حقيقيات النوى. ورغم عقود من الدراسة المكثفة، ظل التسلسل الآلي للأحداث التي أنتجت الخلية حقيقية النواة البدائية، وهي عملية تُعرف باسم نشوء حقيقيات النوى (eukaryogenesis)، أحد أعظم الألغاز غير المحلولة في علم الأحياء.

ويوفر العزل الناجح لسلالات حية من Heimdallarchaeia الأساس التجريبي المطلوب لاختبار الفرضيات المطروحة للنقاش منذ فترة طويلة حول هذا التحول. فبينما أظهرت التحليلات الجينومية أن Asgard archaea تمتلك بروتينات مميزة لحقيقيات النوى — وهي جينات كان يُعتقد في السابق أنها توجد فقط في الخلايا المعقدة، بما في ذلك تلك المسؤولة عن إعادة تشكيل الأغشية، وتحلل البروتينات المعتمد على اليوبيكويتين، وشبكات الأكتين في الهيكل الخلوي — لم يكن بإمكان العلماء سوى التكهن بالدور الفعلي لهذه البروتينات داخل العتائق. وتتيح مراقبة Heimdallarchaeia الحية لعلماء بيولوجيا الخلية معرفة ما إذا كانت هذه الميكروبات تُنتج نتوءات غشائية معقدة، أو تشكل أنظمة بدائية لنقل الحويصلات، أو تبتلع ميكروبات أخرى مادياً.

علاوة على ذلك، فإن توفر سلالات مستنبتة يمكّن الباحثين من حسم الجدالات الأيضية المتعلقة بكيفية نشوء الشراكة في الأصل بين مضيف عتيق والسلف البكتيري للميتوكوندريا. ويوضح فهم ما إذا كانت هذه الكائنات تستهلك الأكسجين، أو تستقلب الهيدروجين، أو تعتمد على مركبات الكربون العضوية، طبيعة الظروف البيئية التي سادت عندما تباعدت سلالة حقيقيات النوى قبل نحو ملياري سنة. وبالنسبة لصناعات الأدوية والتكنولوجيا الحيوية، يمكن أن توفر الإنزيمات الجديدة المشتقة من هذه العتائق القديمة المستوطنة في البيئات القاسية محفزات حيوية قادرة على الصمود والعمل في ظل ظروف فسيولوجية وصناعية غير معتادة.

## الخلفية

على مدى عقود، صنفت كتب علم الأحياء جميع أشكال الحياة على الأرض إلى ثلاثة نطاقات رئيسية، وهو نظام اقترحه عالم الأحياء الدقيقة Carl Woese في عام 1977 بناءً على مقارنات الحمض النووي الريبوزي الريبوسومي: Bacteria وArchaea وEucarya (التي سُميت لاحقاً Eukaryota). وفي نموذج النطاقات الثلاثة لـ Woese، اشتركت Archaea وEukaryota في سلف مشترك واستبعدتا Bacteria، لكنهما مثلتا جذعين تطوريين متوازيين تباعدا منذ مليارات السنين.

وبدأ هذا الإجماع يتغير بسرعة في عام 2015 عندما اكتشف فريق بحث دولي تسلسلات جينومية لعتائق جديدة في عينات رواسب أُخذت بالقرب من Loki's Castle، وهو حقل منافث حرارية مائية يقع على أعراف منتصف المحيط المتجمد الشمالي بين Greenland وNorway. واحتوى هذا الميكروب، الذي سُمي Lokiarchaeota، على عدد غير مسبوق من الجينات وثيقة الصلة بتلك الموجودة في حقيقيات النوى. وكشفت عمليات التسلسل البيئي اللاحقة عبر الأوحال الساحلية والينابيع الحرارية وخنادق المحيطات العميقة عن سلالات ذات صلة، صُنفت مجتمعة تحت الشعبة العليا Asgard، تيمناً بآلهة الميثولوجيا الإسكندنافية: Thorarchaeota وOdinarchaeota وHeimdallarchaeia.

وأظهرت عمليات إعادة البناء الجيني التطوري على نحو متزايد أن حقيقيات النوى لم تشكل نطاقاً ثالثاً مستقلاً للحياة، بل تفرعت مباشرة من داخل الشعبة العليا Asgard — وهو نموذج بنيوي يُعرف باسم شجرة النطاقين. ومن بين مجموعات Asgard، برزت Heimdallarchaeia باستمرار في العديد من التحليلات الحاسوبية الدقيقة باعتبارها الفرع المحدد الأكثر ارتباطاً بسلالة حقيقيات النوى.

ورغم سيل الاكتشافات الجينومية، ظلت عتائق Asgard أطيافاً بيولوجية لأنه لم يسبق لأحد رؤيتها أو إنماؤها في صورة نقية. وتغير ذلك في عامي 2019 و2020، عندما نشر فريق بقيادة Imachi وNobu ورقة بحثية بارزة وثقت استنبات أول عتائق من Asgard، وهي Prometheoarchaeum syntrophicum، المعزولة من رواسب تسرب الميثان في أعماق البحار والتي جُمعت قبالة سواحل اليابان في Nankai Trough. واستغرق مشروع الاستنبات هذا أكثر من اثني عشر عاماً من العمل المخبري الصبور باستخدام مفاعل حيوي متخصص ذي تدفق مستمر يتغذى على الميثان. وتبيّن أن Prometheoarchaeum، التي تنتمي إلى Lokiarchaeota، تعتمد على شريك تكافلي لاستهلاك الهيدروجين وتُظهر مجسات خلوية فريدة ومتفرعة ربما ساعدت العتائق السلفية على محاصرة السلف البكتيري للميتوكوندريا مادياً. ومع ذلك، نظراً لأن أشجار النشوء والتطور أشارت إلى أن Heimdallarchaeia قد تكون أقرب إلى حقيقيات النوى من Lokiarchaeota، فقد ظل استنبات أفراد من Heimdallarchaeia هو الهدف الأسمى للباحثين الذين يتقصون أصول الخلايا.

## ردود الفعل

من المتوقع أن يرى المجتمع العلمي عموماً، لا سيما في مجالات البيولوجيا التطورية، والتصنيف التطوري، وعلم الأحياء الدقيقة للبيئات تحت السطحية العميقة، في استنبات Heimdallarchaeia إنجازاً يضاهي في أهميته استنبات Prometheoarchaeum syntrophicum عام 2019. ومن المنتظر إجراء تقييمات رسمية من قبل الأقران وتحليلات مقارنة عبر المؤتمرات العلمية الدولية الكبرى والمجلات الأكاديمية المتخصصة في التطور الميكروبي وبيولوجيا الخلية.

وسيتطلع منظرو التطور الذين ناقشوا سيناريوهات متنافسة لنشوء حقيقيات النوى — مثل نموذج "الميتوكوندريا المبكرة" في مقابل فرضية "العتائق البلعمية" — إلى البيانات المورفولوجية والأيضية من هذه المستنبتات لتأييد أطرهم النظرية أو دحضها. ومن المتوقع أيضاً أن تفحص المؤسسات الأكاديمية التي تركز على استكشاف المحيط الحيوي العميق، بما في ذلك مراكز الأبحاث البحرية في أوروبا وأمريكا الشمالية وشرق آسيا، معايير الاستنبات التي استخدمها كونسورتيوم JAMSTEC وKyoto في محاولة لتكرارها وتكييف بروتوكولات مماثلة لسلالات بحرية أخرى لم يسبق استنباتها.

## ما لا نعرفه بعد

في حين يمثل عزل السلالتين تقدماً تجريبياً كبيراً، فإن جوانب مهمة من الآلية الخلوية للكائنين وتداعياتهما التطورية لا تزال غير محسومة في الإعلان الأولي. فالأوصاف المظهرية الكاملة — بما في ذلك صور المجهر الإلكتروني النافذ التفصيلية للغلاف الخلوي، وتشكيل المقصورات الداخلية، والبنى الغشائية — تتطلب نشراً موسعاً وتحققاً مقارناً.

بالإضافة إلى ذلك، فإن متطلبات النمو المحددة، ومعدلات التضاعف، والمدخلات والمخرجات الأيضية الكاملة لهاتين السلالتين المعينتين من Heimdallarchaeia لم تُفصل بالكامل بعد في التقارير المتاحة للجمهور. وما زال يتعين التحقق مما إذا كانت هاتان السلالتان تتطلبان شراكات تكافلية إجبارية مع بكتيريا مختزلة للكبريتات أو مولدات الميثان، كما فعلت Prometheoarchaeum، أم أنهما تمتلكان مسارات أيضية ذاتية. والأهم من ذلك، أنه لم يثبت بعد ما إذا كانت هذه الخلايا الحية تُظهر نشاطاً لعمليات شبيهة بحقيقيات النوى مثل الإدخال الخلوي، أو تبرعم الحويصلات، أو الحركة المدفوعة بالهيكل الخلوي، وهي كلها سمات رئيسية يُفترض أنها مكنت من نشوء حقيقيات النوى المبكر.

## ما تجب متابعته

سيتجه التركيز المباشر نحو الأوراق البحثية المحكّمة ومجموعات البيانات التكميلية القادمة التي تفصّل التوصيف الفيزيائي والأيضي والجينومي الشامل للسلالتين المستنبتتين. ويجب على القراء والباحثين ترقب الدراسات البنيوية باستخدام التصوير المقطعي بالمجهر الإلكتروني البريوني (cryo-electron tomography)، والتي ستكشف عن البنية الداخلية للكائنات الحية بدقة شبه ذرية دون الآثار المشوهة الناتجة عن التثبيت الكيميائي.

وثمة مؤشر رئيسي آخر على الأثر العلمي يتمثل في معرفة ما إذا كانت المختبرات الدولية الأخرى قادرة على إعادة إنتاج ظروف الاستنبات بشكل مستقل، أو الحصول على مستنبتات أولية حية من JAMSTEC وKyoto University لإجراء أبحاث موازية. كما ينبغي للمراقبين متابعة الندوات الدولية القادمة في البيولوجيا التطورية واجتماعات International Society for Evolutionary Protistology، حيث ستُعرض تحليلات مقارنة للنشوء والتطور تدمج هذه العينات الحية المعزولة لحسم الجدل المستمر حول الترتيب التفرعي الطوبولوجي الدقيق لشجرة الحياة ذات النطاقين.

يستند هذا التقرير إلى المعلومات الأصلية التي نشرها موقع phys.org.