Hiding in plain sight: rare Bacillus cereus group species are present among unassembled metagenomic samples in public databases

إن التربة تحت أقدامنا هي مدينة صاخبة بالحياة المجهرية، تعج بالبكتيريا التي تشكل الأنظمة البيئية، وتدفع الزراعة، وتسبب المرض أحياناً. ومن بين هؤلاء السكان غير المرئيين، توجد عائلة معقدة من البكتيريا تُعرف باسم مجموعة "باسيلوس سيريس" (Bacillus cereus). وبينما يشتهر بعض أعضاء هذه العائلة بالتسبب في التسمم الغذائي أو مرض الجمرة الخبيثة المميت، فإن البعض الآخر يكون غير ضار أو حتى مفيداً، حيث يُستخدم في الصناعة لحماية المحاصيل أو إنتاج مواد كيميائية مفيدة. ولعقود من الزمن، رسم العلماء الخرائط الجينية -أي المخططات الجينية الكاملة- لأكثر الأعضاء شيوعاً وخطورة في هذه المجموعة. ومع ذلك، لا يزال جزء كبير من هذه العائلة البكتيرية لغزاً؛ فهناك أنواع نادرة داخل هذه المجموعة اكتُشفت منذ أكثر من عقد من الزمان ولكن لم يتم العثور عليها مرة أخرى في البرية. وحتى الآن، كانت المعلومات الجينية الوحيدة المتاحة لهذه الأنواع النادرة تأتي من سلالة واحدة معزولة لكل منها، مما ترك العلماء بصورة مجزأة وغير كاملة لبيولوجيتها، وأماكن عيشها، وما إذا كانت قد تشكل مخاطر على صحة الإنسان.

لم تكن المشكلة بالضرورة في أن هذه البكتيريا النادرة لا توجد في البيئة، بل في أنها كانت تختبئ في وضح النهار، متوارية عن الأنظار بسبب الطرق التقليدية. لدراسة البكتيريا، يتعين على العلماء عادةً تنميتها في طبق مختبري، وهي عملية تسمى "العزل". وإذا كانت البكتيريا نادرة أو يصعب تنميتها، فإنها غالباً ما تتسلل عبر ثغرات هذه التجارب. ومع ذلك، تحول العالم العلمي مؤخاً نحو نهج مختلف: "الميتاجينوميات الشاملة" (shotgun metagenomics). فبدلاً من محاولة تنمية كائن حي واحد، يمكن للباحثين تسلسل جميع الحمض النووي الموجود في عينة من التربة أو الماء دفعة واحدة. وهذا يخلق كومة ضخمة وغير منظمة من الشظايا الجينية لآلاف الكائنات المختلفة التي تعيش معاً. ورغم قوة هذه الطريقة، إلا أنها ثقيلة حسابياً، والعديد من هذه مجموعات البيانات الضخمة في الأرشيفات العامة لم يتم تجميعها بالكامل في جينومات كاملة؛ فهي تقبع هناك، غير مجمعة، بانتظار فك رموزها.

وضع فريق من الباحثين من السويد فرضية لمعرفة ما إذا كانت هذه البكتيريا النادرة والمراوغة تختبئ داخل هذه الأرشيفات الرقمية الهائلة غير المجمعة. وافترضوا أنه حتى لو لم ينجح أحد في تنمية هذه الأنواع النادرة في المختبر مؤخراً، فإن بصماتها الجينية قد تكون منتشرة عبر آلاف عينات التربة والمياه المخزنة بالفعل في قواعد البيانات العامة. ولإيجادها، حدد الفريق أولاً علامات جينية فريدة -وهي تسلسلات محددة من الحمض النووي تعمل كبصمة إصبع- لأربعة من أندر الأنواع المعروفة في مجموعة "باسيلوس سيروس". هذه الأنواع، بما في ذلك "باسيلوس مانليبونينسيس" (Bacillus manliponensis)، و"باسيلوس بينجمايونجينسيس" (Bacillus bingmayongensis)، و"باسيلوس غايموكينسيس" (Bacillus gaemokensis)، ونوع تم تسميته مؤقتاً "باسيلوس كلاروس" (Bacillus clarus)، كان كل منها ممثلاً بسلالة واحدة فقط لسنوات. ثم استخدم الباحثون أداة بحث متخصصة لمسح بيانات الحمض النووي الضخمة وغير المجمعة في "أرشيف تسلسل القراءات" (Sequence Read Archive) العام، بحثاً عن هذه البصمات المحددة.

وقد نجحت عملية البحث. فقد حدد الفريق سبع عينات ميتاجينومية تحتوي على العلامات الجينية لهذه البكتيريا النادرة. جاءت هذه العينات من مواقع متنوعة، بما في ذلك تربة في بستان أفوكادو في إسرائيل، ومنطقة جذور نباتات الدخن في الصين، وحتى عينة من السبانخ التجارية التي تم تلويثها عمداً بنوع آخر من البكتيريا لإجراء دراسة سلامة. ومن خلال إعادة تجميع شظايا الحمض النووي من هذه العينات المحددة، تمكن الباحثون من إعادة بناء جينومات عالية الجودة وشبه كاملة للبكتيريا النادرة دون الحاجة أبداً لتنميتها في طبق بتري. لقد استعادوا جينوماً كاملاً لـ "باسيلوس مانليبونينسيس" من تربة إسرائيلية، وجينوماً جزئياً لـ "باسيلوس بينجمايونجينسيس" من عينة السبانخ. كان هذا اختراقاً كبيراً، حيث وفر أول بيانات جينية جديدة لهذه الأنواع منذ أكثر من عقد، متجاوزاً السلالة الأصلية الوحيدة التي حددت ماهيتها طوال تلك المدة.

بامتلاك هذه الجينومات الجديدة، استطاع الباحثون أخيراً مقارنة الأنواع النادرة ببعضها البعض وبالسلالات القليلة الأخرى التي تم تسلسلها مؤخراً. واكتشفوا أن هذه البكتيريا ليست نسخاً متطابقة موحدة؛ بل أظهرت تنوعاً جينياً كبيراً. على سبيل المثال، كانت "باسيلوس مانليبونينسيس" الموجودة في بستان الأفوكادو الإسرائيلي متميزة جينياً عن السلالة الأصلية المكتشفة في كوريا الجنوبية، ومع ذلك كانت مرتبطة بها بما يكفي لتأكيد أنهما النوع نفسه. وبالمثل، كانت "باسيلوس بينجمايونجينسيس" الموجودة في عينة السبانخ مرتبطة ارتباطاً وثيقاً بسلالة وجدت في تربة الفول السوداني في الصين، لكنها متميزة عن السلالات الأخرى الموجودة في تونس. وقد أشار هذا إلى أن هذه "الأنواع النادرة" لم تكن محصورة في موقع واحد غامض، بل كانت على الأرجح أكثر انتشاراً وتنوعاً جغرافياً مما كان يُعتقد سابقاً.

كما سلطت الدراسة الضوء على الأخطار والقدرات المحتملة لهذه البكتيريا. فحص الباحثون الجينومات الجديدة بحثاً عن الجينات التي تنتج سموماً أو مواد ضارة أخرى. ووجدوا أنه بينما لا تحمل هذه الأنواع النادرة الجينات المسببة للجمرة الخبيثة أو السم المحدد الذي يسبب القيء، إلا أنها تمتلك جينات لسموم أخرى يمكن أن تسبب الإسهال. ومن المثير للاهتمام أن وجود جينات السموم هذه يتفاوت بين السلالات المختلفة من النوع نفسه. فبعض السلالات تحمل جيناً لسم يسمى "سفينغوميالينيز سي" (sphingomyelinase C)، بينما لا تحمل أخرى ذلك. يسلط هذا التباين الضوء على نقطة حاسمة: لا يمكنك افتراض أن جميع أعضاء النوع البكتيري يتصرفون بنفس الطريقة. فالسلالة التي توجد في المختبر قد تكون غير ضارة، بينما قد تحمل سلالة أخرى من النوع نفسه موجودة في الحقل الأدوات الجينية المسببة للمرض.

علاوة على ذلك، بحث الفريق في العناصر الجينية المتحركة داخل هذه البكتيريا، مثل البلازميدات والفيروسات التي يمكن أن تنتقل بين الكائنات. ووجدوا أن البكتيريا النادرة تحمل تسلسلات فيروسية فريدة، وفي بعض الحالات، بلازميدات يمكنها نقل الجينات بين البكتيريا. وُجد أن إحدى سلالات "باسيلوس بينجمايونجينسيس" تحمل بلازميداً يحتوي على مجموعة جينية قد تنتج مادة تشبه المضادات الحيوية الجديدة. يشير هذا إلى أن هذه الأنواع النادرة ليست مجرد فضول بيولوجي، بل هي مشارك نشط في الحرب الكيميائية والتعاون الذي يحدث في التربة، مما قد يحمل مفاتيح لأدوية جديدة أو أدوات زراعية.

تتحدى نتائج هذه الدراسة الافتراض بأن هذه الأنواع النادرة هي حقاً نادرة أو مقتصرة على مواقع اكتشافها الأصلية. بدلاً من ذلك، يبدو أنها موجودة في البيئات الزراعية وأنظمة إنتاج الغذاء، مثل البساتين والمنتجات التجارية، حيث يمكن أن تتفاعل مع البشر. ويؤكد الباحثون أن اكتشاف بكتيريا في عينة غذائية لا يعني تلقائياً أنها تشكل تهديداً؛ فهناك عوامل كثيرة تحدد ما إذا كانت البكتيريا تسبب المرض. ومع ذلك، فإن القدرة على إيجاد هذه الكائنات في قواعد البيانات العامة دون استزراعها تفتح نافذة جديدة للمراقبة. إنها تشير إلى أن التنوع الحقيقي لمجموعة "باسيلوس سيريس" أكبر بكثير مما تشير إليه مجموعتنا الحالية من العينات المستزرعة في المختبر.

من خلال التعامل مع الأرشيفات الضخمة من بيانات الحمض النووي غير المجمعة ككنز ثمين، أثبت الباحثون طريقة جديدة وقوية لدراسة العالم المجهري. لقد أظهروا أن الأنواع النادرة ليست بالضرورة مفقودة من العالم، بل هي مفقودة من طرقنا التقليدية في النظر إليه. يسمح هذا النهج للعلماء بتجاوز قيود تنمية البكتيريا في المختبر ومراقبة الإمكانات الجينية للكائنات التي تعيش في بيئات معقدة بشكل مباشر. ومع توليد المزيد من البيانات واستكشاف المزيد من هذه الأرشيفات الرقمية، سيستمر فهمنا لهذه الأعضاء النادرة والمخفية من العائلة البكتيرية في النمو، ليكشف عن صورة أكثر اكتمالاً ودقة للعالم المجهري الذي يحيط بنا.