Multilayer analysis reveals extensive hidden population complexity in a dairy starter microbiome comprising few species

في عالم علوم الأغذية، يحدث بعض أهم الأعمال في العالم الخفي للبكتيريا. فعند صنع الأجبان التقليدية مثل "جودا" أو "شيدر"، يعتمد المنتجون على مستنبتات البادئات: وهي مزيج من الكائنات المجهرية التي تحول الحليب إلى جبن صلب وتخلق نكهته المميزة. ولأكثر من قرن، تم الحفاظ على هذه المستنبتات حية ونقلها من دفعة إلى أخرى، وهي ممارسة تُعرف باستخدام بادئ "غير محدد" لأن المزيج الدقيق من البكتيريا داخلها ليس معروفاً أو متحكماً فيه بالكامل. وقد اشتبه العلماء لفترة طويلة في أن هذه المزيجات أكثر تعقيداً مما تبدو عليه، حيث تخفي مجموعة واسعة من السلالات البكتيرية المختلفة التي تعمل معاً للحفاظ على سلامة الجبن ومذاقه. وفهم هذا التنوع الخفي أمر بالغ الأهمية لأنه يحدد مدى قدرة الجبن على مقاومة الهجمات من الفيروسات التي تصيب البكتيريا، والمعروفة باسم "الفاجات" (phages)، والتي يمكن أن تفسد دفعة إنتاج كاملة.

قام فريق من الباحثين بوضع خريطة لهذا العالم الخفي داخل بادئة دنماركية محددة تسمى "تيستروب" (Tistrup)، والتي تُستخدم منذ أكثر من مائة عام. وكانوا يعلمون أن مجرد زراعة البكتيريا في طبق مختبر لعدّها لم يكن كافياً، حيث قد يتم إغفال أو تجاهل العديد من السلالات. وبدلاً من ذلك، جمعوا بين طريقتين قويتين: زراعة مجموعة كبيرة من السلالات البكتيرية الفردية في المختبر، وقراءة الشفرة الوراثية للمزيج بأكمله مباشرة من المستنبت دون زراعة أي شيء أولاً. ومن خلال مقارنة ما وجدوه في المختبر بما وجدوه في المزيج الخام، اكتشفوا أن المجتمع كان أكثر تعقيداً مما يمكن لأي من الطريقتين الكشف عنه بمفرده. وتظهر الدراسة أنه حتى في مجموعة من البكتيريا التي تبدو بسيطة على السطح، هناك طبقة عميقة من التنوع الجيني التي تسمح للمجتمع بالبقاء والازدهار.

بدأ الباحثون بالنظر في مستنبت "تيستروب"، الذي تهيمن عليه أنواع قليلة فقط من البكتيريا، وبشكل أساسي "لاكتوكوكوس كريموريس" (Lactococcus cremoris) و"لاكتوكوكوس ليسيس" (Lactococcus lactis). ولأن عدد الأنواع قليل، فقد توقعوا أن تكون الاختلافات الجينية بين البكتيريا الفردية صغيرة. ومع ذلك، عندما قاموا بتسلسل الحمض النووي لـ 111 سلالة بكتيرية متميزة قاموا بزراعتها في المختبر وقارنوها بالبيانات الجينية من المزيج الكامل، وجدوا قدراً مفاجئاً من التعقيد الخفي. ولم تكتفِ الطريقتان بالاتفاق على نفس البكتيريا فحسب، بل وجدتا أجزاء مختلفة من المجتمع؛ حيث مثلت السلالات المزروعة في المختبر جزءاً صغيراً فقط من التنوع الموجود في المستنبت، بينما كشفت القراءة الجينية المباشرة للمزيج عن العديد من السلالات التي أغفلتها طرق المختبر تماماً.

كان أحد النتائج الأكثر إثارة للدهشة يتعلق بجدران الخلايا لهذه البكتيريا. فسطح الخلية البكتيرية مغطى بطبقة سكرية تسمى "السكريات المتعددة لجدار الخلية"، والتي تعمل مثل ثقب مفتاح محدد يستخدمه الفيروس للدخول وإصابة الخلية. ووجد الباحثون أن النوع الأكثر شيوعاً من هذا الغطاء السكري في المستنبت، والذي يشكل ما يقرب من ثلاثين بالمائة من السكان، كان غائباً تماماً عن البكتيريا التي زرعوها في المختبر. وهذا يعني أن البكتيريا الأكثر وفرة في المستنبت كانت هي تلك التي فشل العلماء في زراعتها، مما ترك جزءاً كبيراً من المجتمع غير مرئي للطرق التقليدية. وحملت البكتيريا المزروعة في المختبر في الغالب نسخاً مختلفة وأقل شيوعاً من هذا الغطاء السكري، مما يشير إلى أن الظروف المستخدمة لزراعتها في المختبر قد فضلت مجموعة محددة وأقل هيمنة.

بعيداً عن جدران الخلايا، فحص الباحثون سمات جينية أخرى تساعد البكتيريا في الدفاع عن نفسها ضد الفيروسات. لقد فحصوا وجود الفيروسات التي تختبئ داخل الحمض النووي البكتيري، والمعروفة باسم "البروفاجات" (prophages)، ومختلف أنظمة الدفاع التي تستخدمها البكتيريا لصد الهجمات. ووجدوا أن أدوات الدفاع هذه كانت مختلطة ومدمجة في تركيبات لا حصر لها بين السلالات المختلفة. فحتى البكتيريا التي بدت متطابقة تقريباً في شفرتها الجينية الأساسية، كانت تحمل مجموعات مختلفة من أنظمة الدفاع والفيروسات الخفية. ويعمل هذا التنوع كدرع للمجتمع؛ فإذا هاجم فيروس نوعاً معيناً من البكتيريا، يمكن للأنواع الأخرى ذات الدفاعات المختلفة أن تنجو وتواصل عملية صنع الجبن. وأظهرت الدراسة أن هذا التنوع الدفاعي كان أكبر بكثير مما يمكن رؤيته من خلال النظر فقط إلى السلالات المزروعة في المختبر.

كما حقق الفريق في العناصر الجينية المتحركة، وهي حلقات صغيرة من الحمض النووي تسمى "البلازميدات" (plasmids) يمكن للبكتيريا تبادلها مع بعضها البعض. وغالباً ما تحمل هذه البلازميدات جينات ضرورية لصنع الجبن، مثل تلك اللازمة لهضم سكر الحليب أو تكسير البروتينات. ووجد الباحثون أن هذه البلازميدات كانت أيضاً متنوعة للغاية وتحملها سلالات مختلفة في تركيبات مختلفة. وباستخدام تقنية خاصة تقرأ العلامات الكيميائية على الحمض النووي، تمكنوا من ربط العديد من هذه البلازميدات بالسلالات البكتيرية التي تحملها، حتى عندما لم يتم زراعة تلك البكتيريا في المختبر. وقد سمح لهم ذلك برؤية أن نفس البلازميد يمكن أن يوجد في أنواع مختلفة، وينتقل بينها وينشر السمات المهمة في جميع أنحاء المجتمع.

تخلص الدراسة إلى أن تعقيد بادئة الألبان هذه لا يكمن فقط في وجود العديد من الأنواع المختلفة، بل في العدد الهائل من التركيبات الجينية المختلفة الموجودة ضمن أنواع قليلة فقط. ووجد الباحثون أنه لا توجد طريقة واحدة، سواء كانت زراعة البكتيريا في المختبر أو قراءة الحمض النووي للمزيج بأكمله، يمكنها التقاط الصورة الكاملة. فقد أغفلت طرق المختبر السلالات الأكثر وفرة، بينما لم تستطع القراءة المباشرة للحمض النووي دائماً تحديد السلالة المحددة التي تحمل جيناً معيناً. وفقط من خلال الجمع بين كلا النهجين، استطاعوا البدء في رؤية المدى الحقيقي للتنوع. هذا التنوع الخفي، الذي يشمل الجدران الخلوية وأنظمة الدفاع والحمض النووي المتحرك، يوفر للمجتمع قدرة قوية على مقاومة الهجمات الفيروسية والحفاظ على جودة الجبن. وتشير النتائج إلى أن مرونة هذه البادئات التقليدية تأتي من تنوع تركيبي عميق يظل مخفياً إلى حد كبير ما لم ينظر العلماء إلى المجتمع من خلال عدسات متعددة.