Accretion of novel genetic elements reverses genome erosion and enables host-switching in the deep sea

في أعماق المياه الباردة والمظلمة لقاع المحيط، بعيداً عن متناول ضوء الشمس، تزدهر الحياة في شراكة تتحدى القواعد المعتادة للتطور. هنا، تعتمد المحارات العملاقة وغيرها من الكائنات على بكتيريا مجهرية تعيش داخل خلاياها لتحويل المواد الكيميائية السامة من قاع البحر إلى غذاء. لعقود من الزمن، اعتقد العلماء أن هذه البكتيريا، بمجرد دخولها هذا الوجود المريح والمعزول، تبدأ مخططاتها الجينية في التقلص. فبسبب انقطاعها عن العالم الأوسع وحمايتها من قبل مضيفيها، تفقد الجينات التي لم تعد بحاجة إليها، وهي عملية تُعرف باسم تآكل الجينوم. كان الرأي السائد هو أن هذا التقلص كان طريقاً ذا اتجاه واحد، ومسيرة بطيئة نحو وجود ضئيل ومجرد لا يمكن عكسه أبداً. إذا فقدت البكتيريا أداة ما، فإنها تفقدها للأبد، وتصبح الشراكة محبوسة في طريقة حياة محددة.

لكن دراسة جديدة تتحدى هذا الافتراض الذي ساد طويلاً، مشيرة إلى أن قصة هؤلاء الشركاء الصغار أكثر مرونة مما كنا نعتقد. فقد اكتشف الباحثون أنه حتى بعد تقلص جينوم البكتيريا إلى جزء ضئيل من حجمه الأصلي، يمكنه أن ينمو فجأة مرة أخرى. فمن خلال التقاط مادة وراثية جديدة من البيئة، تستطيع هذه المتعايشات القديمة اكتساب قدرات جديدة، مما يسمح لها بالتكيف مع مضيفين جدد والبقاء في ظروف متغيرة. هذا الاكتشاف، القائم على تحليل البكتيريا التي تعيش داخل المحارات في أعماق البحار، يشير إلى أن المسار التطوري لهذه الكائنات المجهرية ليس طريقاً مسدوداً، بل هو مشهد يمكن فيه التخلص من الأدوات القديمة واكتساب أدوات جديدة، حتى بعد ملايين السنين من العزلة.

ركز الباحثون على مجموعة من البكتيريا التي تعيش داخل محارات أعماق البحار التي تنتمي إلى عائلة Vesicomyidae. تشتهر هذه المحارات بعلاقاتها التكافلية، حيث توفر البكتيريا التغذية مقابل الحصول على مأوى آمن. قام العلماء بجمع ومقارنة الشفرات الجينية الكاملة لعدة سلالات بكتيرية من هذه السلالات، بحثاً عن علامات التغيير بمرور الوقت. ووجدوا أنه بينما كانت معظم هذه البكتيريا تمتلك الجينومات الصغيرة والمبسطة المتوقعة من نوعها، فإن ثلاث سلالات محددة أصبحت فجأة أكبر بكثير. لقد وسعت هذه المجموعات الثلاث جينوماتها بنسبة تقارب 25 بالمائة مقارنة بأقربائها. لم تكن هذه الحالة مجرد احتفاظ بالجينات القديمة التي فقدها الآخرون؛ بل كانت هذه البكتيريا قد اكتسبت بنشاط مادة وراثية جديدة.

تبين أن مصدر هذا الحجم الجيني الجديد هو العناصر الجينية المتحركة، والتي تشبه قطع DNA صغيرة ذاتية التضاعف يمكنها التنقل داخل الجينوم. في اثنتين من السلالات الموسعة، وجد الباحثون تدفقاً هائلاً من تسلسلات الإدخال، وهي نوع من العناصر المتحركة التي تنسخ نفسها وتدرج النسخة في مواقع جديدة في الـ DNA. إحدى هذه البكتيريا، التي تعيش في محارة تسمى Isorropodon fossajaponica، احتوت على 86 نسخة من نوع معين من تسلسل الإدخال، بينما لم يمتلك أقرب أقربائها سوى نسخة واحدة. أما بكتيريا أخرى، وُجدت في محارة من نوع Thyasira sp. Haima، فقد حملت مزيجاً متنوعاً من هذه العناصر، بما في ذلك عشرات النسخ من عائلات مختلفة. لم تكتفِ هذه العناصر المتحركة بإضافة الحجم فحسب؛ بل عملت كعوامل للفوضى، حيث قطعت الترتيب المنظم للجينات وتسببت في إعادة ترتيب واسعة النطاق في بنية الجينوم.

جاء الاكتشاف الأكثر إثارة عند دراسة البكتيريا التي تعيش في محارة Thyasira sp. Haima. هذه السلالة المحددة كانت قد انتقلت مؤخراً من العيش داخل محار من نوع vesicomyid إلى العيش داخل محار من نوع thyasirid، وهو نوع مختلف من الرخويات في أعماق البحار. وخلافاً لـ vesicomyids، التي تضم بكتيرياها في أعماق خلاياها، تستضيف thyasirids عادةً شركاءها البكتيريين على سطح خياشيمها. ولإتمام هذا الانتقال، احتاجت البكتيريا على الأرجح إلى أدوات جديدة للالتصاق بسطح مضيف مختلف. وجد الباحثون أن هذه البكتيريا قد اكتسبت أربعة جينات كبيرة بشكل غير عادي، تتراوح أطوالها بين 24,000 و 40,000 زوج من القواعد. وتشفر هذه الجينات بروتينات تشبه إلى حد كبير الـ "adhesins" (المواد اللاصقة)، وهي خطافات جزيئية تستخدمها البكتيريا للالتصاق بالأسطح.

أظهرت جينات الالتصاق الكبيرة هذه علامات واضة على أنها اكتُسبت حديثاً من العالم الخاريم ثم نُسخت وتوسعت داخل الجينوم البكتيري. وكانت محاطة بنفس العناصر المتحركة التي تسببت في إعادة ترتيب الجينوم، مما يشير إلى أن هذه الجينات القافزة ساعدت في سحب جينات الالتصاق الجديدة إلى الجينوم ثم مضاعفتها. ويتزامن وجود أدوات الالتصاق المحددة هذه تماماً مع انتقال البكتيريا إلى مضيف جديد يتطلب نوعاً مختلفاً من التفاعل. ويبدو أن البكتيريا لم تنجُ من عملية تغيير المضيف بمحض الصدفة؛ بل اكتسبت الآلية الجينية اللاستلزامية لاستعمار بيئة جديدة.

يشير هذا الاكتشاف إلى أن عملية تآكل الجينوم في البكتيريا المتعايشة ليست أحادية الاتجاه بشكل صارم. فبينما يظل فقدان الجينات قوة مهيمنة، يمكن للاكتساب العرضي للمادة الوراثية أن يعكس هذا الاتجاه، ويضيف تعقيداً وظيفياً إلى الجينوم المختزل. وتشير الدراسة إلى أن العناصر الجينية المتحركة، التي غالباً ما تُعتبر طفيليات أو "DNA خردة"، يمكن أن تعمل كناقلات للابتكار. فهي تقدم وظائف جديدة تماماً، مثل القدرة على الالتصاق بمضيف جديد، مما يسمح للمتعايشات القديمة بالخروج من قيودها التطورية. وجد الباحثون أن هذه الجينات الجديدة لم تكن مجرد حطام عشوائي؛ بل تم الاحتفاظ بها وتوسيعها، مما يشير إلى أنها وفرت ميزة حقيقية للبقاء.

إن القدرة على تغيير المضيف هي حدث نادر وهام في تاريخ هذه البكتيريا. فبالنسبة لبكتيريا عاشت داخل نوع معين من المحارات لملايين السنين، لكي تنجح في استعمار نوع مختلف، يجب عليها التغلب على حواجز بيولوجية كبيرة. ويوفر اكتشاف جينات الالتصاق الكبيرة والمكتسبة حديثاً آلية معقولة لكيفية حدوث ذلك. فمن المرجح أن البكتيريا التقطت هذه الجينات من البيئة، رب الله من بكتيريا أخرى في نفس موطن أعماق البحار، واستخدمتها للتكيف مع مضيفها الجديد. وتسلط هذه العملية الضوء على أنه حتى في أكثر الجينومات عزلة واختزالاً، توجد قدرة على التغيير والتكيف.

كما أشارت الدراسة إلى أن هذه البكتيريا احتفظت بالآلية الجزيئية اللازمة لإصلاح وإعادة دمج الـ DNA الخاص بها، وهو أمر يُفقد غالباً في أنواع البكتيريا المتعايشة الأخرى. وقد يكون الاحتفاظ بهذه الآلية حاسماً في السماح بدمج واستقرار المادة الوراثية الجديدة. فلولا أنظمة الإصلاح هذه، لربما فُقدت الجينات الجديدة أو تسببت في ضرر قاتل للجينوم. والحقيقة أن هذه البكتيريا احتفظت بهذه الأدوات تشير إلى أنها ظلت مرنة إلى حد ما، ومستعدة لاستيعاب معلومات جديدة عندما تلوح الفرصة.

في نهاية المطاف، ترسم هذه الأبحاث صورة أكثر ديناميكية للحياة في أعماق البحار. فهي تظهر أن العلاقة بين المضيف وشريكه البكتيري ليست آلية "قفل ومفتاح" ثابتة، بمجرد تشكلها لا يمكن أن تتغير أبداً. بدلاً من ذلك، هي شراكة مرنة حيث يمكن للشريك البكتيري أن يطور سمات جديدة، حتى بعد ملايين السنين من الاختزال. إن الاكتشاف بأن تآكل الجينوم يمكن أن يُعكس من خلال اكتساب عناصر جينية مبتكرة يفتح آفاقاً جديدة لفهم كيفية تطور العلاقات التكافلية. وهو يشير إلى أن المسار نحو أن يصبح الكائن متعايشاً متخصصاً ليس طريقاً ذا اتجاه واحد نحو الفقر الجيني، بل هو رحلة معقدة يمكن فيها أن يتناوب الفقدان والاكتساب، مما يسمح للحياة بالاستمرار والتكيف في أكثر البيئات تطرفاً على وجه الأرض.