Two actinobacterial G protein systems control multicellular mycelial growth and morphology in Streptomyces venezuelae

غالباً ما تُتخيل البكتيريا كرحالة منعزلين، خلايا مفردة تنجرف في بيئتها وتنقسم بمفردها. ومع ذلك، تعيش العديد من البكتيريا كمجتمعات تعاونية هائلة، تشكل شبكات معقدة تشبه جذور النبات أو خيوط عنكبوت. ومن بين هذه المجموعات هي "المتفطرات" (streptomycetes)، وهي مجموعة من البكتيريا التي تعيش في التربة وتنمو كخيوط طويلة متفرعة تسمى "الخيوط الفطرية" (hyphae). وتنسج هذه الخيوط معاً لتشكل "غزلاً فطرياً" (mycelium) متعدد الخلايا، وهو عبارة عن شبكة حية تستكشف التربة بحثاً عن العناصر الغذائية. ولكي تعمل هذه الشبكة، يجب على الخيوط الفردية تنسيق نموها؛ فهي تحتاج إلى معرفة أين تمتد، ومتى تتفرع، والأهم من ذلك، كيف تتجنب الاصطدام ببعضها البعض بطريقة تخلق فوضى متشابكة وغير فعالة. يتطلب هذا التنسيق نظام اتصال داخلي متطور، وسيلة تسمح للخلايا باستشعار جيرانها وتعديل شكلها واتجاهها وفقاً لذلك.

في التربة، حيث يكون الغذاء غالباً نادراً وغير موزع بشكل متساوٍ، تعتبر القدرة على تنظيم شبكة متعددة الخلايا بكفاءة مسألة بقاء. فإذا نمت الخيوط بشكل عشوائي، فقد تزدحم فوق بعضها البعض، مما يهدر الطاقة ويفشل في تغطية الأرض بفعالية. لطالما عرف العلماء أن البكتيريا تستخدم إشارات كيميائية للتحدث مع بعضها البعض، لكن الآليات المحددة التي تسمح لشبكة من الخيوط بالحفاظ على بنية نظيفة ومنظمة أثناء النمو فوق سطح ما ظلت لغزاً. وقد توجهت الأبحاث الحديثة اهتمامها إلى مجموعة فريدة من الأدوات الجينية الموجودة في هذه البكتيريا، والمعروفة بأنظمة بروتين G. هذه الأنظمة هي آلات جزيئية تعمل مثل المفاتيح، حيث تقوم بتشغيل الجينات أو إيقافها استجابةً للبيئة. وفي نوع محدد من البكتيريا يسمى "ستريبتوميس ستريبتوميس فينيزويلي" (Streptomyces venezuelae)، توجد ثماني نسخ مختلفة من هذه الأنظمة، ولكن حتى الآن، لم يكن أحد يعرف بالضبط ماذا تفعل معظمها أو كيف تساعد البكتيريا في بناء بيوتها المعقدة متعددة الخلايا.

قام فريق من الباحثين في جامعة لوند في السويد بمحاولة حل هذا اللغز من خلال إزالة كل نظام من هذه الأنظمة الثمانية بشكل منهجي، واحداً تلو الآخر، لمعرفة ما سيحدث للبكتيريا. قاموا بزراعة البكتيريا المعدلة على أنواع مختلفة من الغذاء، تتراوح من الهلام الغني بالمغذيات إلى الأسطح الفقيرة جداً التي تحاكي الظروف القاسية للتربة. وما وجدوه هو أن اثنين من هذه الأنظمة، بالعمل معاً، يعملان كمهندسين معماريين للشبكة البكتيرية. فعندما أزال الباحثون هذين النظامين الجينيين المحددين، فقدت البكتيريا قدرتها على تنظيم نفسها. وبدلاً من الانتشار في طبقة مرتبة ومتساوية حيث يمتلك كل خيط مساحته الخاصة، بدأت البكتيريا الطافرة في التكتل معاً. فقد التصقت خيوطها ببعضها البعض، مشكلةً حزماً سميكة تشبه الحبال، بدت وكأنها كرة متشابكة من خيوط الصوف بدلاً من كونها شبكة رقيقة.

لم يكن سلوك التكتل هذا مجرد مسألة التصاق البكتيريا ببعضها البعض عن طريق الصدفة. فقد لاحظ الباحثون أن الخيوط الطافرة تنمو في خطوط مستقيمة وصلبة، بينما تنمو بكتيريا النوع البري (wild-type) في منحنيات لطيفة وملتوية. بدا وكأن بكتيريا النوع البري تتجنب جيرانها بنشاط، حيث تنمو في المساحات الفارغة بين الخيوط الأخرى لتغطية السطح بالتساوي. سمح هذا "التجنب الذاتي" لها باستكشاف الغذاء المتاح بكفاءة أكبر. أما الطفرات، التي تفتقر إلى الأنظمة الجينية الاثنين، فقد فقدت هذه القدرة؛ إذ نمت بشكل مستقيم والتصقت بكل ما كان قريباً منها، بما في ذلك الخيوط الطافرة الأخرى وحتى خيوط النوع البري التي نمت بجانبها. اختبر الباحثون ما إذا كانت البكتيريا تطلق مواد كيميائية غير مرئية في الهواء أو الماء تسبب هذا الالتصاق، لكنهم لم يجدوا أي دليل على وجود مثل هذه الإشارات. بدلاً من ذلك، بدا أن المشكلة داخل الخلايا الطافرة نفسها؛ فقد تغيرت أسطحها، مما جعلها لزجة وعرضة للتكتل.

ومن خلال النظر في الجينات التي كانت نشطة في البكتيريا الطافرة، اكتشف العلماء سبب حدوث ذلك. فقد رفعت الطفرات "مستوى صوت" مجموعة كبيرة من الجينات المسؤولة عن بناء جدار الخلية وإنتاج طبقات سكرية خارجية على الخلية. ومن المرجح أن هذا الإنتاج المفرط للمواد السطحية جعل الخيوط لزجة، مما تسبب في التصاقها ببعضها البعض. ومع ذلك، لم تنتهِ القصة عند التكتل المجهري فحسب؛ فقد لاحظ الباحثون أيضاً أن الطفرات تتصرف بشكل مختلف على نطاق أوسع. فبينما ينتشر النوع البري من البكتيريا في طبقة رقيقة تبدو "صلعاء" عبر السطح — وهو سلوك يُعرف بالنمو الاستكشافي — فشلت الطفرات في القيام بذلك. بدلاً من ذلك، شكلت مستعمرات كثيفة و"وبرية" بدت وكأنها تحاول النمو للأعلى في الهواء، حتى عندما لا تكون الظروف مناسبة لمثل هذا النمو.

ولفهم سبب فشل الطفرات في الاستكشاف، بحث الباحثون عن البكتيريا التي أصلحت المشكلة تلقائياً. ووجدوا أن بعض البكتيريا الطافرة قد اكتسبت طفرات جديدة سمحت لها بالانتشار مرة أخرى، بشكل يشبه النوع البري تقريباً. وعندما حللوا الحمض النووي لهذه البكتيريا "المثبطة" (suppressor)، وجدوا أن الإصلاح غالباً ما تضمن تغييرات في مجموعة أخرى من الجينات التي تتحكم في إشارة كيميائية تُعرف باسم "سيكليك دي-جي إم بي" (cyclic-di-GMP). هذه الإشارة هي منظم رئيسي يخبر البكتيريا متى تتوقف عن النمو وتبدأ في تكوين الأبواغ. وخلص الباحثون إلى أن الطفرات الأصلية كانت تنمو بسرعة كبيرة وتنضج مبكراً جداً. ولأنها كانت تهرع لتكوين الأبواغ، لم تأخذ الوقت الكافي للانتشار واستكشاف السطح بشكل صحيح. لقد كان النظامان الجينيان اللذان تمت إزالتهما يعملان كـ "كابح"، يحافظ على البكتيريا في حالة نمو خضري لفترة كافية لبناء شبكة سليمة.

كشفت الدراسة أن هذين النظامين الجينيين لهما وظيفتان متميزتان ومنفصلتان بشكل مثير للدهشة. تتمثل الوظيفة الأولى في التحكم في الشكل الفيزيائي للخيوط ومنعها من الالتصاق ببعضها البعض، مما يضمن بقاء الشبكة مفتوحة ومنظمة. أما الوظيفة الأخرى فهي منع البكتيريا من النضج بسرعة كبيرة، مما يسمح لها باستكشاف بيئتها بالكامل. وأظهر الباحثون أنه يمكنهم إصلاح مشكلة الاستكشاف عن طريق تغيير إشارات النضج، لكن هذا لم يصلح مشكلة التكتل؛ إذ ظلت الخيوط تلتصق ببعضها البعض حتى عندما سُمح للبكتيريا بالنمو لفترة أطول. وهذا يعني أن الطريقة التي تبني بها البكتيريا شكلها والطريقة التي تقرر بها متى تنمو أو تنضج يتم التحكم فيهما بواسطة مسارات مختلفة، على الرغم من أن كليهما يُدار بواسطة نفس الزوج من الأنظمة الجينية.

تقدم هذا العمل صورة واضية لكيفية إدارة بكتيريا بسيطة للمهمة المعقدة المتمثلة في العيش كمجتمع متعدد الخلايا. وهي توضح أن البكتيريا لا تنمو عشوائياً؛ بل تستخدم أدوات جينية محددة لاستشعار بيئتها، وتعديل شكلها، والتنسيق مع جيرانها. وبدون هذه الأدوات، تنهار الشبكة إلى فوضى متشابكة، وتفشل المستعمرة في استكشاف محيطها بفعالية. وتشير النتائج إلى أن القدرة على الحفاظ على بنية نظيفة ومنظمة هي مهمة بقدر أهمية القدرة على إيجاد الطعام لبقاء البكتيريا. ومن خلال فهم هذه الآليات، يمكن للعلماء أن يبدؤوا في رؤية كيف تطورت هذه الكائنات القديمة للازدهار في عالم التربة المعقد والتنافسي، وبناء مدن معقدة من الخيوط أكثر تنظيماً مما كان يُعتقد سابقاً.