آلة وراثية جديدة بلازميد أم فيروس أم غير ذلك؟
ايهاب محمد زايد-مصر
أبلغ العلماء عن تراكيب كبيرة من الحمض النووي في بعض الأركيا التي تتحدى التصنيف السهل.حدود طمس DNA “Borgs”.
عندما بدأت عالمة الأحياء الدقيقة جيليان بانفيلد وزملاؤها في تمشيط عينات من الطين من بيئات الأراضي الرطبة قبل ثلاث سنوات ، كان لديهم هدف محدد في الاعتبار: استعادة وتحليل أجزاء من الحمض النووي من فيروسات كبيرة قاتلة للبكتيريا. وقد فعلوا. لكنهم وجدوا أيضًا شيئًا غير متوقع. لم يكن من الممكن التعرف على الفور على بعض الحمض النووي في تلك العينات على أنه مصدره فيروسات أو عتائق أو مصادر خلوية أخرى معروفة. قال بانفيلد ، بدلاً من ذلك ، بدت الهياكل الجينومية “متميزة عن أي شيء شوهد من قبل”.
في دراسة جديدة نُشرت في وقت سابق من هذا الشهر على خادم ما قبل الطباعة biorxiv.org ، أعلنت بانفيلد وزملاؤها في جامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، عن وجود هذه الكيانات الغريبة.
الباحثون صريحون في الاعتراف بأن ما وجدوه قد يكون نوعًا جديدًا من الفيروسات العملاقة أو البلازميد أو الكروموسوم الغريب. لكنهم يقترحون أيضًا أن الحمض النووي يمكن أن ينتمي إلى شيء آخر تمامًا: ما أطلقوا عليه اسم Borgs. تمامًا كما “تستوعب” الأنواع الغريبة في Star Trek الأفراد في عقل خلية ، فإن هذه العناصر غير المعروفة قد تدمج الجينات من الخلايا المضيفة في الحمض النووي الخاص بها ، وفقًا لما ذكره باسم الشايب ، طالب دراسات عليا في مختبر بانفيلد.
حتى الآن ، يبدو أن العلماء الآخرين عمومًا مترددين في تبني التفسير الأكثر استثنائية لماهية بورغس. لكنهم يتفقون على أنه حتى التفسيرات الأكثر دنيوية تظهر مدى ضآلة ما يُعرف عن فئات التنوع الجيني في الطبيعة. قال سيدريك فيسكوت ، عالم الأحياء الجزيئية في جامعة كورنيل ، والذي لم يشارك في العمل الجديد ، إنه يسلط الضوء على الحاجة إلى “البدء في التفكير في الكيانات الجينية المختلفة [على] سلسلة متصلة”. يمكن أن يفتح هذا النوع من التفكير عالمًا من الاحتمالات لما نفهمه عن طبيعة الجينوم ، وكيف تعمل الميكروبات ، وأين نبحث عن تطبيقات التكنولوجيا الحيوية المحتملة.
قال الشايب عندما عثرت بانفيلد وفريقها لأول مرة على تسلسل الحمض النووي غير المألوف ، “ذهلوا للعثور على هذه العناصر التي يزيد طولها عن 900000 قاعدة”. “وكانت غالبية الجينات التي تم ترميزها هناك غير معروفة تمامًا.” ترك هذا الباحثين عددًا قليلاً نسبيًا من الأدلة الجينية عما كان عليه آل بورغ ، أو ما قد يفعلونه.
كشف تحليلهم أن التسلسلات العملاقة تكمن في مجموعة من العتائق “الميثانوتروفيك” ، التي تستقلب الميثان. يبدو أن التسلسلات كانت داخل الخلايا ولكنها منفصلة عن جينوم المضيف. ومع ذلك ، أدى ذلك إلى تعميق اللغز فقط لأن العناصر لديها مزيج متناقض من الميزات التي جعلت من الصعب تصنيفها.
لا يمكن أن تكون تسلسلات الحمض النووي جزءًا من الجينوم البدائي الطبيعي: كان تكوين زوج قاعدتهم مختلفًا للغاية ، وكانوا خطيًا ، وليس دائريًا مثل الكروموسومات البدائية. لكنها كانت أيضًا أكبر من الأنواع خارج الصبغية من الحمض النووي مثل البلازميدات والفيروسات عادةً. أكبر التسلسلات ، على سبيل المثال ، كان أطول من جينوم أكبر عاثيات معروفة. في الواقع ، كانت التسلسلات تقريبًا ثلث حجم جينومات عتائق مضيفها. لا يبدو أن أيًا من هذا يتوافق مع ما توقعت بانفيلد وزملاؤها رؤيته في العناصر الجينية المعروفة مثل الكروموسومات أو الفيروسات أو البلازميدات.
كانت محتويات التسلسلات محيرة أيضًا. يبدو أنهم يحملون جينات من العتائق التي سكنوها – بما في ذلك الجينات المشاركة في استقلاب الميثان ، وتخليق البروتين الريبوسومي ، وبنية جدار الخلية ، واستخدام النيتروجين ، ونقل الإلكترون خارج الخلية. لا توجد الجينات الخاصة بالعديد من هذه الوظائف عادةً في العناصر الهامشية خارج صبغيات الخلايا. في بعض الحالات ، بدا أن التسلسلات قد التقطت قطعًا من الحمض النووي من بعضها البعض. حتى أن الباحثين رأوا تلميحات إلى أن بورجس قد ينتقل أحيانًا بين عتائق مختلفة ، مما يسمح لهم بنقل الجينات من مضيف إلى آخر.
في حين أن بانفيلد لم يستبعد حتى الآن احتمال أن يكون Borgs عبارة عن فيروس أو بلازميد كبير جدًا ، فإنها تفترض أنه يمكن أن يمثل نوعًا جديدًا تمامًا من العناصر الجينية – “ليس لأن لديهم أي ميزة واحدة فريدة من نوعها ، ولكن بسبب الجمع بين الميزات “، قالت. وأضافت أنها ربما كانت ذات يوم عتائقًا مستقلة ، فقط لتصبح نكهة جديدة من التعايش الداخلي ، تختلف عن الميتوكوندريا أو البلاستيدات الخضراء.
لا يزال علماء آخرون أقل رغبة في الذهاب إلى هذا الحد. قال ثيجس إتيما ، عالِم الأحياء المجهرية بجامعة فاغينينغين في هولندا ، والذي لم يشارك في الدراسة: “في هذه المرحلة ، يمكن أن يكون بلازميدًا جيدًا”. “نوع جديد من البلازميد ، وربما نوع مثير للغاية من البلازميد ، ولكنه مع ذلك بلازميد.” لم يتم العثور على البلازميدات الخطية سابقًا في العتائق ، ولكن في حجمها وتكوينها الجيني ، تبدو بورجز تشبه إلى حد كبير بعض البلازميدات الخطية الضخمة التي اكتُشفت قبل عقد من الزمن في البكتيريا.
قال مارت كروبوفيتش ، عالم الفيروسات في معهد باستير في باريس ، مع وضع هذا العمل البكتيري في الاعتبار ، “لا شيء يبرز على أنه غير متوقع بشكل مذهل” ، والذي يوافق على أن بورغ ربما يكون حيوانًا عتيقًا ضخمًا. لكنه أضاف أن اكتشافهم يوسع تنوع العناصر الجينية المرتبطة ببعض الميكروبات الأكثر غموضًا على كوكب الأرض.
علاوة على ذلك ، يمكن لبعض البلازميدات أن تتطور لتصبح لا غنى عنها لمضيفها ، فتتحول إلى شيء يعمل بشكل أشبه بالكروموسوم. وقال كروبوفيتش ، نظرًا لحجمها ، “قد تكون في طريقها لتصبح كروموسومات إضافية لهذه العتائق”.
من ناحية أخرى ، يرى Feschotte أوجه تشابه بين Borgs والفيروسات العملاقة. قال: “سأدع هذا [التقرير] يغرق أكثر قليلاً” ، لكن “بصراحة ، سأكون مندهشًا جدًا إذا لم يكونوا فيروسيًا.” في هذه الحالة ، “من المحتمل أن يحددوا فئة جديدة تمامًا من الفيروسات.”
ومع ذلك ، وبغض النظر عن ماهية Borgs ، فإن أهميتها الحقيقية تكمن في التأكيد على أن “الحدود بين هذه الكيانات الجينية المختلفة هي في الواقع سائلة” ، كما قال Feschotte. فيما يتعلق بالتدرج أو السلسلة المتصلة لهذه العناصر ، قال إن فريق بانفيلد “ربما وجد شيئًا متوسطًا قليلاً بين ، على سبيل المثال ، كروموسوم وفيروس” ، أو كروموسوم وبلازميد. “وسيكون ذلك رائعًا.”
ردد كروبوفيتش هذه النقطة ، مشيرًا إلى أن بورغ قد يملأ “فجوة في الاستمرارية” بين السمات الجينومية الطفيلية والتعايشية والقياسية. “إنها تضيف إلى فهمنا لمدى تنوع العناصر [الجينية] ، من حيث بنية الجينوم ، من حيث الحجم ، من حيث الكائنات الحية حيث يمكن العثور عليها ،” قال. قد يعني وجود Borgs أن العديد من كيانات الحمض النووي الأخرى في هذا الطيف قد يتم اكتشافها حتى الآن ، وأن بعضها قد يكون موجودًا بالفعل في بيانات العلماء التي تم جمعها ، فقط في انتظار اكتشافها.
إن الحد الفاصل بين هذه الكيانات الجينية المختلفة هو في الواقع مائع.
إذا كان هذا صحيحًا ، فستكون الأركيا مكانًا جيدًا للبحث عنها لأن “هذا هو المكان الذي يوجد فيه الكثير من الجنون” ، قال فيسكوت. وأشار الشايب إلى أنه بالمقارنة مع حقيقيات النوى والبكتيريا ، فإن العتائق لم تُدرس جيدًا ولا تحظى بالتقدير. “بعض الأركيا لا تنقسم حتى إلى خليتين ؛ يقسمون إلى ثلاثة. قال: “هناك الكثير والكثير من الألغاز في الأركيا”.
في الواقع ، جزء من سبب استغراق وقت طويل للكشف عن Borgs هو أن عتائقها المضيفة ، مثل جميع الأنواع البدائية المعروفة تقريبًا ، لم تُستزرع أبدًا في المختبر. بدلاً من ذلك ، اعتمدت بانفيلد وزملاؤها على الأساليب الميتاجينومية ، حيث قاموا بربط تريليونات من شظايا الحمض النووي الدقيقة معًا لإعادة تجميع التسلسلات الكاملة.
قال بانفيلد: “بدأنا بالطين وبتسلسل صغير من الحمض النووي ، وقمنا بتجميع هذه القصة”. “إنه لأمر مدهش ما يمكنك القيام به هذه الأيام باستخدام المعلوماتية الحيوية.”
لكن أحد القيود هو أن كل ما يعرفه الباحثون عن بورجس هو استنتاج من البيانات الجينية. لم يتمكنوا من رؤية أو تجربة Borgs لتأكيد أي شيء حتى الآن. لا يمكنهم حتى استبعاد احتمال أن تكون عائلة بورغ منتجات ثانوية وهمية لتقنيات إعادة بناء الجينوم المستخدمة. للمضي قدمًا ، سيكون إجراء المزيد من التحليل الميتاجينومي والمحاولات الإضافية لاستنبات عتائق مضيفهم أمرًا بالغ الأهمية لفهم ماهية التسلسلات وماذا تفعل.
تكهن بانفيلد والشايب وزملاؤهم في ورقتهم البحثية أنه نظرًا لأن بعض البورصات تحمل جينات أكسدة الميثان ، فقد تكون العناصر الجينية ذات يوم مفيدة في تعديل الخلايا لإزالة الميثان من البيئة والمساعدة في الحد من تغير المناخ. قالت إيتيما: “لكننا لم نصل إلى هناك بعد”. سيحتاج العلماء أولاً إلى تحديد ما إذا كانت الجينات في بورغ قد تم التعبير عنها حتى قبل أن يتمكنوا من البدء في دراسة التطبيقات المحتملة والتأثيرات على البيئة.
قد تكون العديد من خطوط البحث الأخرى مثمرة في وقت قريب جدًا. قال بانفيلد: “هناك مخزون ضخم من الجينات التي لا يزال يتعين استكشافها” في بورغس. “أنا متأكد من أن هناك الكثير ليتم اكتشافه – الوظائف التي سيتم الكشف عنها والتي لم نتخيلها حتى الآن.”
“ما الأشياء الأخرى التي قد لا تكون بهذا الوضوح ، لكنها لا تزال مختبئة على مرأى من الجميع؟” سأل فيشوت. بالنسبة له ، فإن العمل الجديد في Borgs ملهم. “هذا يجعلني أرغب في الخروج وأرغب في النظر إلى نفسي. أريد أن ألعب أيضا.”
المصدر
https://www.quantamagazine.org/plasmid-virus-or-other-dna-borgs-blur-boundaries-20210721/
