Accurate prediction of nitrogen fixation in cyanobacteria reveals the dynamic evolution driving high retention rate with mosaic distribution

تخيل مصنعاً صغيراً قديماً يُدعى البكتيريا الزرقاء (cyanobacterium). لهذا المصنع وظيفتان مهمتان للغاية: فهو يستخدم ضوء الشمس لصنع الغذاء (التمثيل الضوئي)، ويقوم بالتقاط النيتروجين من الهواء لبناء البروتينات (تثبيت النيتروجين). عادةً ما تكون هاتان الوظيفتان مثل الزيت والماء؛ فالوظيفة الأولى تنتج الأكسجين، الذي يعمل كسمّ لآلات الوظيفة الثانية (إنزيم يسمى النيتروجيناز). ومع ذلك، فإن البكتيريا الزرقاء هي الوحيدة التي استطاعت تشغيل هذين المصنعين في وقت واحد دون أن ينفجرا.

ولكن، كان العلماء يلعبون لعبة "من أنا؟" لمحاولة معرفة أي البكتيريا الزرقاء تمتلك بالفعل آلات تثبيت النيتروجين. لقد كانت لعبة فوضوية لأن:

1. بعض المخططات تبدو مطابقة تماماً للأصل لكنها لا تعمل (جينات نيتروجيناز مزيفة).
2. في بعض أنواع البكتيريا الزرقاء، تكون المخططات ممزقة إلى قطع صغيرة ومبعثرة (جينات مجزأة)، مما يجعل قراءتها صعبة.

أداة "المحقق" الجديدة
في هذه الدراسة، صمم الباحثون عدسة مكبرة عالية التقنية. فبدلاً من مجرد النظر إلى نص الشفرة الوراثية، قاموا بإنشاء خريطة ثنائية الأبعاد (مخطط تشتت) تنظر إلى شيئين في آن واحد:

• مدى تطابق الجين مع الأصل (التشابه).
• طول مخطط الجين.

تخيل الأمر كأنك تحاول تحديد طراز سيارة معين. إذا نظرت فقط إلى اللون، فقد تخطئ وتظن أن شاحنة حمراء هي سيارة رياضية حمراء. ولكن إذا نظرت إلى اللون وطول المركبة معاً، يمكنك التمييز بينهما فوراً. سمحت هذه الخريطة الجديدة للعلماء برصد جينات تثبيت النيتروجين الحقيقية بدقة وتجاهل الجينات "المزيفة".

ماذا وجدوا؟
باستخدام هذه الأداة الجديدة، فحص العلماء 586 سلالة معروفة من البكتيريا الزرقاء:

• التأكيد: وجدوا أن كل بكتيريا زرقاء تبني "غرفاً آمنة" خاصة (تسمى الخلايا المغايرة - heterocysts) لحماية آلات تثبيت النيتروجين من الأكسجين، تمتلك بالفعل تلك الجينات. وقد أثبت هذا أن خريطتهم الجديدة تعمل بشكل مثالي.
• المفاجأة: اكتشفوا أن 48% من السلالات التي فحصوها هي مثبتات للنيتروجين. ولكن هنا تكم- المفاجأة: في السلالات التي تفتقر إلى "الغرف الآمنة" الخاصة، لا تعتبر القدرة على تثبيت النيتروجين سمة عائلية يمتلكها الجميع. بل هي أشبه بـ فسيفساء (موزاييك). تخيل لحافاً من الرقع (patchwork quilt) حيث تمتلك بعض المربعات القدرة بينما لا يمتلكها جيرانها، حتى لو كانوا من أقارب وثيقين. إنها قدرة مبعثرة وغير متوقعة.

النظر إلى الصورة الكبيرة
استخدم الباحثون بعد ذلك خريطتهم الجديدة لمسح مكتبة ضخمة تضم 2,718 نوعاً من البكتيريا الزرقاء، بما في ذلك الأنواع التي لم تُزرع قط في المختبر والتي تم جمعها بمجرد أخذ عينات من المياه (الميتاجينوميات).

• وجدوا أن حوالي 20% من هذه المجموعة الضخمة هي مثبتات للنيتروجين.
• معدل الاحتفاظ: عندما قارنوا البكتيريا الزرقاء بأنواع أخرى من البكتيريا، وجدوا أن البكتيريا الزرقاء أفضل بكثير في الاحتفاظ بهذه القدرة على تثبيت النيتروجين عبر ملايين السنين. إنها تشبه إرثاً عائلياً تحتفظ به بعض العائلات بينما تفقده عائلات أخرى، حتى وإن ظهر هذا الإرث في نمط فسيفسائي متقطع.

اكتشاف جديد
أخيراً، رصدوا نسخة جديدة تماماً من مخطط جين تثبيت النيتروجين (تنتمي إلى "المجموعة الثانية") لم يحددها أحد بوضوح من قبل. وهذا يشير إلى أن قصة كيفية تطوير البكتيريا الزرقاء لمهارات تثبيت النيتروجين هي أكثر ديناميكية وتعقيداً مما كنا نعتقد، فهي تتغير وتتكيف باستمرار عبر الزمن.

باخت مختص: بنى العلماء "كاشف جينات" أفضل أزال اللبس حول من يمكنه تثبيت النيتروجين. ووجدوا أنه بينما تعد هذه القدرة شائعة، إلا أنها تظهر بطريقة فسيفسائية ومبعثرة في العديد من البكتيريا الزرقاء، وأن هذه المجموعة، ككل، بارعة بشكل مدهش في الحفاظ على هذه المهارة القديمة حية مقارنة بأنواع البكتيريا الأخرى.