Intrinsic timekeeping in Escherichia coli

تمتلك معظم الكائنات الحية، من الكائنات وحيدة الخلية المتناهية الصغر إلى الحيوانات المعقدة، حساً داخلياً بالوقت. وتسمح هذه الساعة البيولوجية لهذه الكائنات بتوقع التغيرات المتوقعة في بيئتها، مثل شروق الشمس أو برودة هواء الليل، بدلاً من مجرد الاستجابة لها بعد حدوثها. وفي البشر والحيوانات الأخرى، تنسق هذه الساعات عمليات النوم والتمثيل الغذائي ووظائف المناعة، مما يضمن عدم حدوث الأنشطة المتعارضة في وقت واحد. ولعقود من الزمن، اعتقد العلماء أن هذه القدرة على حفظ الوقت كانت تقتصر على الكائنات ذات الأجهزة العصبية المعقدة أو تلك التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي، مثل النباتات وبعض البكتيريا التي تحصد ضوء الشمس. أما البكتيريا غير الضوئية، التي تشكل جزءاً كبيراً من العالم الميكروبي، فقد كان يُعتقد عموماً أنها تفتقر إلى آلية التوقيت الداخلي هذه، وأنها تعمل بدلاً من ذلك على أساس استجابة بسيطة.

لقد اكتشف فريق من الباحثين الآن أن هذا الافتراض غير صحيح. فقد وجدوا أن بكتيريا "إيشيريشيا كولاي" (Escherichia coli)، وهي بكتيريا شائعة توجد غالباً في الأمعاء البشرية، تمتلك قدرة ذاتية على حفظ الوقت. فهذه البكتيريا لا تكتفي بمجرد التفاعل مع محيطها، بل يمكنها تعلم إيقاع يومي والاستمرار في اتباعه حتى عند إزالة المحفزات الخارجية. وتكشف الدراسة أن هذه البكتيريا تستخدم نظام إشارات داخلي محدد لتتبع مرور الوقت، مما يسمح لها بالاستعداد لتغيرات درجات الحرارة اليومية قبل وقوعها. ويشير هذا الاكتشاف إلى أن القدرة على توقع المستقبل هي أكثر انتشاراً في العالم الميكروبي مما كان متخيلاً، مما يتحدى الرؤية السائدة منذ فترة طويلة بأن حفظ الوقت هو سمة محصورة في أشكال الحياة الأكثر تعقيداً.

بدأ الباحثون تحقيقهم بمراقبة سلوك بكتيريا "إيشيريشيا كولاي" في بيئة محكومة. حيث قاموا بتنمية البكتيريا في مستعمرات دائرية رقيقة على جل خاص يحتوي على صبغة حمراء. ترتبط هذه الصبغة بمادة لزجة تسمى "كيرلي" (curli)، والتي تنتجها البكتيريا لتساعدها على الالتصاق بالأسطح وتكوين مجتمعات واقية تُعرف باسم "الغشاء الحيوي" (biofilms). وكان العلماء يعلمون أن إنتاج مادة "كيرلي" حساس لدرجة الحرارة، لذا وضعوا المستعمرات البكتيرية في حضانة تتأرجح بين درجتين من الحرارة: 25.5 درجة مئوية (باردة) و28.5 درجة مئوية (دافئة قليلاً). وقاموا بتغيير درجة الحرارة كل اثنتي عشرة ساعة، محاكين بذلك دورة الليل والنهار.

ومع نمو البكتيريا نحو الخارج من مركز الطبق، تركت وراءها سجلاً مرئياً لنشاطها. فعندما تنتج البكتيريا مادة "كيرلي"، تصبغ الصبغة الحمراء المنطقة، مما يخلق حلقة داكنة. وعندما تتوقف عن إنتاجها، تظل الحلقة صافية. ولو كانت البكتيريا مجرد مستجيبة لدرجة الحرارة، لظهرت الحلقات الداكنة تماماً عند تغير درجة الحرارة. ومع ذلك، لاحظ الباحثون شيئاً مختلفاً؛ فمع مرور عدة أيام، بدأت البكتيريا في تغيير سلوكها، حيث بدأت في إنتاج مادة "كيرلي" اللزجة قبل حوالي ست ساعات من الموعد المقرر لارتفاع درجة الحرارة. هذا التحول من مجرد الاستجابة إلى التوقع هو علامة مميزة لساعة بيولوجية حقيقية. لقد قامت البكتيريا بمزامنة إيقاعها الداخلي مع دورة درجة الحرارة الخارجية، مما يعني أنها تعلمت الجدول الزمني بفعالية.

ولإثبات أن هذا الإيقاع كان داخلياً وليس مجرد رد فعل مستمر للبيئة، أجرى العلماء اختباراً حاسماً. فبعد ثلاثة أيام من تدوير درجات الحرارة، تركوا البكتيريا في درجة حرارة ثابتة وغير متغيرة. ولو كانت البكتيريا تستجيب للحرارة فحسب، لكان من المفترض أن يتوقف نمط الحلقات فوراً. وبدلاً من ذلك، استمرت البكتيريا في إنتاج المادة اللزجة بنمط إيقاعي لمدة ثلاثة أيام أخرى على الأقل، حيث حافظت على نبض ثابت يبلغ حوالي أربع وعشرين ساعة، حتى بعد أن أصبح العالم الخارضي صامتاً. هذه الظاهرة، المعروفة باسم "الإيقاع الحر" (free-running rhythm)، أكدت أن البكتيريا تعمل وفق مؤقت داخلي تم ضبطه بواسطة تغيرات درجات الحرارة السابقة.

ثم بحث الفريق في كيفية إدارة البكتيريا لسلوكين متضادين: الالتصاق بالسطح والحركة. تستخدم البكتيريا ذيولاً تشبه السوط تسمى "السياط" (flagella) للسباحة نحو الظروف المواتية، لكن يجب عليها التوقف عن السباحة وبناء سطح لزج لتكوين مجتمع مستقر. وهذان النشاطان متنافيان؛ إذ لا يمكن للبكتيريا القيام بكليهما في آن واحد. ووجد الباحثون أن البكتيريا تفصل بين هذه المهام زمنياً؛ فعندما تكون البكتيريا في ذروة نشاطها في إنتاج مادة "كيرلي" اللزجة للالتصاق، تكون الجينات المسؤلة عن بناء سياط السباحة خاملة. وعلى العكس من ذلك، عندما تستعد البكتيريا للسباحة، يتوقف إنتاج المادة اللزجة. هذا الفصل يضمن أن البكتيريا لا تهدر الطاقة في محاولة القيام بمهام متضاربة في وقت واحد، وهي استراتيجية تشبه كيف ينام البشر ليلاً وينشطون نهاراً.

ولفهم الآلية الكامنة وراء هذه الساعة، لجأ الباحثون إلى علم الوراثة. فقد درسوا نظام اتصال محدد داخل البكتيريا يسمى "نظام آر سي إس للفوسفوريل" (Rcs phosphorelay). يعمل هذا النظام مثل سباق التتابع، حيث ينقل إشارة كيميائية من الحافة الخارجية للخلة إلى مركز التحكم الداخلي لإخبار البكتيريا بما يجب فعله. ومن خلال إنشاء بكتيريا ذات أجزاء مكسورة في هذا النظام، اكتشف العلماء أن مسار "آر سي إس" ضروري لعمل الساعة. فبدون مكون محدد من هذا المسار، تستطيع البكتيريا استشعار تغيرات درجة الحرارة، لكنها تفقد القدرة على الحفاظ على الإيقاع بمجرد أن تصبح درجة الحرارة ثابتة. وهذا يشير إلى أن آلية التوقيت نفسها تقع ضمن مسار الإشارات هذا.

كما بحثت الدراسة في كيفية تلقي البكتيريا للإشارة الأولية لضبط ساعاتها. وقد حددوا نظاماً منفصلاً يسمى "بلو إف آر" (BluFR)، والذي يعمل كمستشعر لكل من الضوء الأزرق ودرجات الحرارة المنخفضة. يقوم هذا المستشعر بتغذية المعلومات في مسار "آر سي إس". ووجد الباحثون أن نظام "بلو إف آر" يتتبع التغيرات البيئية ولكنه لا يحافظ على الإيقاع بمفرده؛ بل يعمل كمدخل لمزامنة ساعة "آر سي إس" الداخلية. وفي عرض مذهل، أظهر العلماء أنه يمكنهم إعادة ضبط ساعة البكتيريا باستخدام الضوء فقط؛ فمن خلال تعريض البكتيريا لدورات من الضوء الأزرق والظلام، استطاعوا استحثاث نفس الأنمابات الإيقاعية لإنتاج المادة اللزجة، مما يثبت أن البكتيريا يمكنها استخدام الضوء كإشارة زمنية تماماً كما استخدمت درجة الحرارة.

أخيراً، قارن الباحثون بين بنية نظام التوقيت البكتيري والساعات المعروفة الموجودة في البكتيريا الضوئية، وهي النوع الوحيد الآخر من البكتيريا المعروف بامتلاك ساعة جزيئية محددة. وبالر despite عدم وجود تاريخ وراثي مشترك، فإن البروتينات في نظام توقيت "إيشيريشيا كولاي" تبدو مشابهة بشكل ملحوظ في شكلها ثلاثي الأبعاد للبروتينات في الساعة الضوئية. يستخدم كلا النظامين سلسلة من المفاتلات الكيميائية والنطاقات الهيكلية لمعالجة المعلومات وتوليد الإيقاع. وهذا يشير إلى أن الطبيعة قد توصلت إلى الحل نفسه للحفاظ على الوقت بطرق مختلفة، باستخدام مبادئ معمارية متشابهة لحل مشكلة توقع الدورات اليومية.

يعيد هذا الاكتشاف تشكيل فهمنا للحياة البكتيرية. فهو يظهر أن كائناً بسيطاً مثل "إيشيريشيا كولاي" يمكنه تعلم جدول زمني، وتذكره، والعمل بناءً عليه مسبقاً. ومن المرجح أن القدرة على توقع التغيرات البيئية توفر ميزة للبقاء، مما يسمح للبكتيريا بالاستعداد لتحديات اليوم قبل وصولها. ومن خلال تحديد الجينات والبروتينات المسؤولة عن التوقيت، فتح الباحثون باباً جديداً لفهم كيفية تنسيق البكتيريا لسلوكها. ويمكن لهذا المعرفة أن تساعد العلماء في نهاية المطاف على التنبؤ بكيفية استجابة البكتيريا لبيئاتها، مما قد يؤدي إلى طرق جديدة لإدارة النمو البكتيري في الطب والصناعة. وتؤكد الدراسة أن القدرة على حفظ الوقت هي سمة أساسية وواسعة الانتشار في عالم الأحياء، وتمتد إلى ما هو أبعد من الكائنات المعقدة التي نراها كل يوم.