Scalable single-cell metagenomic analysis with Bascet and Zorn

لطالما واجه علماء الأحياء الدقيقة عائقاً جوهرياً: يمكنهم رؤية الغابة، ولكن ليس الأشجار الفردية. فالطرق التقليدية لدراسة المجتمعات الميكروبية، والمعروفة باسم "الميتاجينوميات"، تتضمن طحن عينة من التربة أو الماء أو اللعاب وتسلسل جميع الحمض النووي الموجود داخلها. يوفر هذا النهج متوسطاً قوياً لما هو موجود، تماماً مثل خلط سلطة فواكه وتحليل العصير الناتج لتخمين أنواع الفواكه التي كانت بداخلها. ورغم فائدة هذه الطريقة، إلا أنها تدمج الخطوط الفاصلة بين السلالات المختلفة من البكتيريا، وتخفي الأنواع النادرة التي توجد بأعداد منخفضة، وتجعل من المستحيل ربط جينات معينة بالخلية الدقيقة التي تحملها. ولفهم العالم المعقد وغير المرئي للميكروبات حقاً، يحتاج العلماء إلى وسيلة للنظر إلى كل بكتيريا على حدة، واحدة تلو الأخرى، لرؤية تركيبها الجيني الفريد.

لسنوات عديدة، كان هذا المستوى من التفصيل مكلفاً للغاية وبطيئاً، حيث اقتصر على تحليل بضع عشرات من الخلايا فقط في المرة الواحدة. ومع ذلك، فإن التطورات الأخيرة في علم الموائع الدقيقة (microfluidics) — وهو علم التحكم في قطرات صغيرة من السائل — قد فتحت الباب لمعالجة ملايين الخلايا في تجربة واحدة. ولم يكن التحدي المتبقي هو توليد البيانات، بل فهمها؛ إذ إن الحجم الهائل للمعلومات الناتجة عن هذه الطرق الجديدة عالية الإنتاجية كان من شأنه أن يربك البرامج الحاسوبية القياسية، مما يخلق عنق زجاجة رقمي يمنع الباحثين من استكشاف هذه المجموعات الضخمة من البيانات. وتتناول دراسة جديدة من فريق في جامعة أوميو (Umeå University) في السويد هذا الحاجز عبر تقديم مجموعة أدوات برمجية كاملة مصممة للتعامل مع حجم تسلسل الخلايا الفردية للميكروبات الحديثة، مما يسمح للعلماء أخيراً برسم خريطة للتنوع الجيني للمجتمعات الميكروبية بوضوح غير مسبوق.

قام الباحثون، بقيادة هادريان غورلي وإيرينا ياكوفينكو وزملائهم، بتطوير نظام مكون من جزئين لحل هذه المشكلة. الجزء الأول، المسمى "باسيت" (Bascet)، هو برنامج قوي يعمل عبر سطر الأوامر ومكتوب بلغة برمجة سريعة وفعالة. وهو يعمل بمثابة "العامل القوي"، حيث يأخذ بيانات التسلسل الخام من ملايين الخلايا وينظمها في تنسيق يمكن إدارته. أما الجزء الثاني، "زورن" (Zorn)، فهو واجهة سهلة الاستخدام تتيح للعلماء استكشاف البيانات وتصورها وتحليلها دون الحاجة إلى كتابة أكواد معقدة. وتسمح هاتان الأداتان معاً بسير عمل يمكنه معالجة بيانات من أكثر من مليون خلية في تشغيل واحد، وهو مقياس كان مستحيلاً في السابق بالنسبة لبرامج المعلوماتية الحيوية القياسية. وقد أثبت الفريق قوة هذا النظام من خلال تطبيقه على مجتمع تجريبي يتكون من عشر أنواع بكتيرية معروفة، والأهم من ذلك، على عينة حقيقية من لعاب الإنسان.

ولتوليد البيانات، استخدم الفريق تقنية مخبرية مبتكرة تتضمن كبسولات شبه نفاذة. هذه الحاويات الصغيرة والمرنة تحجز خلايا بكتيرية فردية، مما يسمح للباحثين بكسرها وتضخيم حمضها النووي بداخلها دون أن تختلط الخلايا مع بعضها البعض. وبمجرد تضخيم الحمض النووي، يتم تمييزه بعلامة (barcode) فريدة، مما يضمن إمكانية تتبع كل قطعة من المادة الوراثية وصولاً إلى الخلية الأصلية. اختبر الفريق طريقتين مختلفتين لتضخيم الحمض النووي، ووجدا أن طريقة أحدث وأكثر دقة تسمى "التضخيم الموجه للقالب الأولي" (primary template-directed amplification) تنتج نتائج أكثر توازناً وموثوقية بكثير من الطريقة الأقدم والأكثر شيوعاً، والتي تميل إلى تضخيم بعض أجزاء الجينوم أكثر بكثير من غيرها. ويشير هذا الاكتشاف إلى ضرورة ابتعاد الباحثين عن التقنية القديمة إذا أرادوا الحصول على بيانات عالية الجودة من الخلايا الفردية.

وعندما طبق الفريق برنامجهم الجديد على عينة من لعاب الإنسان، كانت النتائج مذهلة. فقد نجحوا في توليد مخططات جينية كاملة، تُعرف باسم "الجينومات المضخمة فردياً"، من أكثر من 15,000 خلية بدائية النواة الفردية. وقد كشف هذا المستوى من الدقة عن تفاصيل كانت غير مرئية تماماً للتسلسل الإجمالي التقليدي. فعلى سبيل المثال، أغفلت الطريقة القياسية نوعاً معيلاً من البكتيريا غير المستزرعة المرتبطة بأمراض اللثة، والمعروف باسم Tannerella sp. oral taxon 808. ومع ذلك، لم يكتفِ نهج الخلية الواحدة برصد هذا الكائن النادر فحسب، بل كشف أيضاً عن سلالة جديدة منه لم تكن معروفة من قبل. بدت هذه السلالة الجديدة متميزة عن النسخ المعروفة الأخرى من البكتيريا، حيث أظهرت اختلافاً جينياً كان سيضيع في العينة الممزوجة. علاوة على ذلك، أشارت التحليلات إلى أن هذه البكتيريا قد تكون مرتبطة جغرافياً، حيث تسود متغيرات جينية مختلفة في أجزاء مختلفة من العالم.

كما سلطت الدراسة الضوء على قدرة البرنامج على التعامل مع البيانات دون الاعتماد على مكتبة مسبقة للجينومات المعروفة. ففي كثير من الحالات، لا يعرف العلماء بالضبط ما هي الأنواع الموجودة في عينة ما، مما يجعل من الصعب استخدام الأدوات التقليدية التي تتطلب خريطة مرجعية. تتضمن المجموعة البرمجية الجديدة طرقاً مبتكرة تقارن الخلايا بناءً على أنماطها الجينية مباشرة، مما يسمح للباحثين بتجميع الخلايا المتشابهة معاً ورصد الاختلافات حتى عندما تكون الأنواع المحددة غير معروفة. وتعد هذه القدرة أمراً حاسماً لاستكشاف "المادة المظلمة الميكروبية" — وهي الكم الهائل من الميكروبات غير المستزرعة وغير المصنفة التي تشكل معظم التنوع البيولوجي في الكوكب.

ومن خلال الجمع بين طريقة مخبرية عالية الإنتاجية وإطار حوسبي قابل للتوسع، أزال الباحثون عائقاً رئيسياً أمام العلوم الميكروبية. وتظهر أعمالهم أنه أصبح من الممكن الآن توليد عدد من الجينومات الميكروبية في تجربة واحدة يعادل مجموع ما هو موجود حالياً في جميع قواعد البيانات العامة مجتمعة. إن هذا التحول من دراسة المتوسط إلى دراسة الفرد يفتح آفاقاً جديدة لفهم كيفية تطور البكتيريا، وكيفية تفاعلها مع مضيفيها، وكيف تساهم في صحة الإنسان والأمراض. إن هذه الأدوات مفتوحة المصدر ومتاحة مجاناً، وهي دعوة للمجتمع العلمي العالمي لبدء استكشاف الميكروبيومات بدقة كانت تعتبر ذات يوم ضرباً من الخيال العلمي.