Reversible fixation of microbial cells for targeted genomics
تقدم هذه الورقة مادة ثنائي ثيو ثنائي (سكسينيميديل بروبيونات) (DSP) كمثبت عكسي يتغلب على قيود الطرق التقليدية من خلال تمكين كل من التصوير الفلوري عالي الجودة واستخراج الحمض النووي اللاحق للتحليل الجينومي المستهدف من المجتمعات الميكروبية المعقدة.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي لبحث مسبق لم يخضع لمراجعة الأقران. وهو ليس نصيحة طبية. لا تتخذ أي قرارات تتعلق بصحتك بناءً على هذا المحتوى. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
لفهم الحيوات الخفية للعالم المجهري، يحتاج العلماء غالباً إلى التقاط لقطة لبكتيريا معينة داخل مجتمع مزدحم. تخيل مدينة شاسعة وصاخبة حيث يبدو كل سكانها متطابقين تقريباً من مسافة بعيدة. لدراسة عائلة معينة، يجب على الباحث أولاً العثور عليهم، ثم عزلهم دون إتلاف أثمن ما يملكون: مخططهم الجيني. لعقود من الزمن، استخدم العلماء تقنية تسمى التهجين الموضعي الفلوري، أو FISH، لتعمل مثل كشاف بحث مضيء. يقومون بربط علامة مضيئة صغيرة بقطعة محددة من المادة الوراثية داخل الخلية، مما يجعل تلك الخلية تتوهج تحت المجهر. وبمجرد تحديدها، يمكن فرز هذه الخلايا المتوهجة من المزيج باستخدام آلة تفصلها بناءً على ضوئها. ومع ذلك، ظل عائق رئيسي يحجب هذا المسار لفترة طويلة؛ فلكي يجعلوا الخلايا مرئية ومستقرة بما يكفي للفرز، كان على الباحثين عادةً "تثبيتها"، وهي عملية تشبه حفظ العينة في الفورمالديهايد أو نقعها في الكحول. وبينما حافظت هذه العملية على شكل الخلية، إلا أنها عملت أيضاً مثل قفل ثقيل على المادة الوراثية، مما جعل قراءتها لاحقاً أمراً شبه مستحيل. إن الخطوة ذاتها التي سمحت للعلماء بالعثور على الخلية المناسبة غالباً ما دمرت القدرة على دراسة جينومها، تاركةً أكثر الميكروبات إثارة للاهتمام حبيسة حالة صامتة وغير قابلة للقراءة.
لقد طور فريق من الباحثين الآن طريقة جديدة لفتح هذا الباب. فقد قدموا مادة كيميائية تسمى ديثيو بيس (سكسينيميديل بروبيونات)، أو DSP، والتي تعمل كمثبت عكسي. فكر في DSP كغراء مؤقت يمسك الخلية معاً ويسمح للعلامات المتوهجة بالعمل، ولكن يمكن إذابته لاحقاً لتحرير الحمض النووي (DNA) سليماً. في دراستهم، اختبر العلماء هذه الطريقة الجديدة على بكتيريا من مزارع نقية، ومياه الأنهار، ورواسب بحرية، وبراز بشري. ووجدوا أن الخلايا المعالجة بـ DSP توهجت تماماً مثل تلك المعالجة بالمواد الكيميائية القاسية التقليدية، وظلت مستقرة لشهور في التخزين. والأهم من ذلك، عندما أضاف الباحثون عاملاً كيميائياً بسيطاً لكسر روابط DSP، أطلقت الخلايا حمضها النووي بشكل مثالي، ليكون جاهزاً للتسلسل الجيني. وهذا يعني أنه يمكن للعلماء الآن تحديد ميكروب معين، وفرزه، وقراءة شفرته الوراثية الكاملة فوراً دون الضرر الناتج عن طرق الحفظ القديمة.
وقد أظهر الباحثون قوة هذا النهج من خلال فرز بكتيريا محددة من عينات براز بشري معقدة. استهدفوا مجموعات من البكتيريا المعروفة بأهميتها لصحة الأمعاء، مثل Faecalibacterium و Phocaeicola. وباستخدام طريقة DSP الجديدة، تمكنوا من إغناء هذه المجموعات المحددة بما يصل إلى سبعة وسبعين ضعفاً مقارنة بالعينة الأصلية. ومن هذه الخلايا المفروزة، نجحوا في إعادة بناء جينومات عالية الجودة، مما كشف عن الإمكانات الجينية الكاملة لهذه الكائنات التي يصعب دراستها. وفي مثال صارخ، قاموا بعزل خلايا مفردة من Phocaeicola vulgatus، ولأن الحمض النووي كان محفوظاً جيداً، تمكنوا ليس فقط من رؤية جينات البكتيريا نفسها، بل وأيضاً قطع الحمض النووي الصغيرة الدائرية المسماة "البلازميدات" والتسلسلات الفيروسية التي تعيش داخلها. هذا المستوى من التفاصيل يسمح للعلماء برؤية أي الفيروسات تصيب أي بكتيريا وكيف تتبادل البكتيريا السمات الوراثية، وهو مستوى من الدقة كان بعيد المنال سابقاً لهذه الأهداف المحددة.
كما أظهرت الدراسة أن هذه الطريقة تعمل عبر مجموعة واسعة من البيئات. وسواء كانوا ينظرون إلى البكتيريا في نهر، أو في طين أعماق البحار، أو في الأمعاء البشرية، فقد كان مثبت DSP يعمل باستمرار وبشكل جيد. لقد حافظ على الكتلة الفيزيائية للخلايا، مما ضمن عدم انكماشها أو اختفائها أثناء التخزين، كما عمل مع كل من البكتيريا سالبة الغرام وإيجابية الغرام، وهما النوعان الرئيسيان للهياكل البنائية لجدران الخلايا البكتيرية. وأشار الباحثون إلى أنه بينما عانت بعض الطرق القديمة مع بعض الجدران الخلوية الصعبة، فإن النهج الجديد سمح بتحديد وفرز نطاق واسع من الحياة الميكروبية بنجاح. ومن خلال الجمع بين القدرة على رؤية خلايا محددة والقدرة على قراءة حمضها النووي، تقدم هذه التقنية الجديدة أداة قوية لاستكشاف الميكروبيوم. إنها تشير إلى أنه يمكن للعلماء الآن تجاوز مرحلة التخمين حول ما تفعله الميكروبات في مجتمع ما، وبدلاً من ذلك، تحديد أي منها نشط بدقة، وفرزها، وقراءة قصصها مباشرة من شفرتها الوراثية.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.