Comparative genomics reveals conserved biosynthetic potential and structural diversification of biosynthetic gene clusters in Brazilian Lactiplantibacillus plantarum

في عالم التخمير المجهري، تلعب بكتيريا تُعرف باسم Lactiplantibacillus plantarum دوراً هادئاً ولكن حيوياً. فهذه الميكروبات الموجودة في كل شيء، من الكاسافا الحامضة والفواكه الاستوائية إلى الحليب والأطعڠ المتخمرة، هي بارعة في التكيف، حيث تزدهر في بيئات متنوعة بينما تساعد في حفظ أطعمتنا. وبالنسبة للعلماء، فإن هذه البكتيريا هي أكثر من مجرد مساعدين في المطبخ؛ فهي مصانع محتملة لأدوية جديدة. تنتج العديد من السلالات مركبات كيميائية خاصة، مثل الببتيدات المضادة للميكروبات، والتي يمكن أن تحارب البكتيريا الضارة وتقدم بدائل للمضادات الحيوية التقليدية. وللعثور على هذه السمات المفيدة، غالباً ما يبحث الباحثون في المخطط الجيني لهذه البكتيريا، المعروف بالجينوم. وفي داخل هذه المخططات تكمن مجموعات جينية مخصصة للتخليق الحيوي. يمكنك التفكير في هذه المجموعات كورش عمل مخصصة في مصنع، حيث يتم ترتيب الجينات بترتيب معين لبناء منتج كيميائي محدد.

لفترة طويلة، ركز العلماء الذين يبحثون عن عقاقير جديدة على سؤال بسيط: هل تمتلك البكتيريا نوعاً معيناً من ورش العمل أم لا؟ كانوا يمسحون الجينومات لمعرفة ما إذا كانت تعليمات صنع مركب معين موجودة أم مفقودة. ومع ذلك، فإن هذا النهج غالباً ما يغفل الدقة في كيفية كتابة تلك التعليمات. فقد تمتلك بكتيريتان نفس النوع من ورش العمل، ومع ذلك قد يختلف التخطيط الداخلي للجينات بشكل كبير، مما قد يؤدي إلى منتجات مختلفة أو مستويات مختلفة من الكفاءة. إن فهم هذه الاختلافات الدقيقة أمر بالغ الأهمية للعثور على أكثر المرشحين واعداً لاكتشاف الأدوية، خاصة في مناطق مثل البرازيل، التي تمتلك مستودعاً هائلاً من الحياة الميكروبية الفريدة التي لم تُستكشف بالكامل بعد.

قرر فريق من الباحثين من جامعة ولاية فيرا دي سانتانا في البرازيل التعمق في هذا المشهد الجيني. فقد جمعوا تسعة جينومات مختلفة من L. plantarum تم جمعها من بيئات برازيلية متنوعة، تتراوح من مرافق إنتاج الإيثانول إلى التجويف المهبلي وحبوب الكاكاو المتخمرة. وبدلاً من مجرد وضع علامة "موجود" على وجود مجموعة جينية، أجروا تحليلاً مقارناً مفصلاً لمعرفة كيف تختلف البنية الداخلية لهذه المجموعات. وقد استخدموا برمجيات متقدمة لإعادة توصيف الجينومات، لضمان مقارنة عادلة، ثم رسموا مخططاً للترتيب المحدد للجينات داخل خمس مجموعات مختلفة من التخليق الحيوي الموجودة عبر العينات.

وجد الباحثون أنه، على مستوى واسع، كانت البكتيريا متشابهة للغاية. فتقريباً كل سلالة فحصوها امتلكت نفس الفئات الخمس من مجموعات الجينات، بما في ذلك تلك المخصصة لصنع الببتيدات المصنعة من الريبوسومات، واللاكتونات الحلقية، ومركبات التربين المختلفة. يشير هذا إلى أن مجموعة الأدوات الأساسية لصنع هذه المواد الكيميائية هي سمة قياسية لهذا النوع، بغض النظر عن مكان وجود البكتيريا. ومع ذلك، عندما تعمق العلماء في مقارنة البنية الفعلية لهذه المجموعات، ظهرت قصة مختلفة. كان التنظيم الداخلي للجينات بعيداً كل البعد عن كونه موحداً. فبعض المجموعات كانت متطابقة تقريباً عبر جميع السلالات، بينما أظهرت مجموعات أخرى إعادة ترتيب وتنوعاً كبيراً.

كشفت الدراسة عن تدرج واضح من الاستقرار بين أنواع المجموعات المختلفة. كانت المجموعة الأكثر اتساقاً هي مجموعات سلائف التربين. في ورش العمل هذه، ظل ترتيب الجينات والبروتينات المحددة التي تشفرها متطابقاً تقريباً عبر جميع الجينومات التسعة. ويشير هذا المستوى العالي من الحفظ إلى أن هذه المجموعات تؤدي وظيفة أساسية حافظت عليها البكتيريا دون تغيير بمرور الوقت. وفي الطرف الآخر من الطيف، كانت مجموعات التربين هي الأكثر عرضة للتنوع الهيكلي. لم تكن هذه المجموعات تظهر مجرد اختلافات طفيفة، بل أظهرت تنوعات متميزة في كيفية تنظيم الجينات وفي الجينات الملحقة المدرجة. فقد امتلكت بعض السلالات ترتيبات مختلفة تماماً لنفس الجينات الأساسية، مما يشير إلى أن هذا النوع من المجموعات يتمتع بمرونة عالية وعرضة للتغيير.

وبين هذين الطرفين، وقعت المجموعات الأخرى، ولكل منها نمطها الخاص من الاستقرار. فقد وُجد أن مجموعات الببتيدات المصنعة من الريبوسومات، والتي غالباً ما تكون مسؤولة عن صنع المركبات المضادة للميكروبات، كانت مدمجة هيكلياً ومحفوظة للغاية، رغم أنها احتوت على عدد مفاجئ من الجينات التي ليس لها وظيفة معروفة حالياً. كما أظهرت مجموعات اللاكتون الحلقية بنية أساسية مستقرة مع اختلافات طفيفة فقط عند الأطراف. أما مجموعات سينثاز البوليكيتيد من النوع الثالث فقد احتلت منطقة وسطى؛ حيث حافظت على بنية مركزية قابلة للتمييز، لكنها تباينت بشكل كبير في عدد الجينات الإضافية الملحقة بها. يشير هذا إلى أنه بينما يظل خط المصنع الرئيسي سليماً، فإن الآلات الداعمة تتغير من سلالة إلى أخرى.

تتحدى هذه النتائج الفكرة القائلة بأن مجرد معرفة أنواع مجموعات الجينات التي تمتلكها البكتيريا كافٍ للتنبؤ بإمكاناتها. يوضح البحث أن التنوع الحقيقي في هذه البكتيريا البرازيلية لا يأتي من امتلاك أنواع مختلفة من المجموعات، بل من كيفية بناء تلك المجموعات داخلياً. فقد تمتلك سلالة ما نفس المجموعة التي تمتلكها سلالة أخرى، ولكن إذا كانت البنية الداخلية مختلفة، فقد تنتج مادة كيميائية مختلفة أو تنتجها بطريقة مختلفة. إن هذه الرؤية حيوية لعملية التنقيب البيولوجي، وهي البحث عن الموارد البيولوجية الجديدة. وهذا يعني أنه لا يمكن للعلماء الاكتفاء بالبحث عن وجود مجموعة جينية فحسب؛ بل يجب عليهم فحص البنية المحددة لتلك المجموعة لتحديد السلالات الأكثر واعدة للتطوير المستقبلي.

من خلال رسم خرائط لهذه الاختلافات الهيكلية، توفر الدراسة إطاراً جديداً لاختيار البكتيريا التي ستتم دراستها لاحقاً. وهي تشير إلى أن السلالات الأكثر قيمة لاكتشاف مركبات جديدة مضادة للميكروبات قد لا تكون تلك التي تمتلك أكبر عدد من أنواع الجينات الفريدة، بل تلك التي تمتلك التباينات الهيكلية الأكثر إثارة للاهتمام ضمن مجموعاتها الشائعة. ويقر الباحثون بأن عملهم يعتمد على التحليل الحاسوبي للبيانات الجينية، وأن التجارب المستقبلية ضرورية لتأكيد المواد الكيميائية التي تنتجها هذه البكتيريا بالفعل. ومع ذلك، فإن هذه النظرة التفصيلية للهندسة الجينية لبكتيريا L. plantarum البرازيلية تقدم مساراً أوضح للمضي قدماً. فهي تنقل التركيز من مجرد جرد للأجزوات إلى فهم أعمق لكيفية تجميع تلك الأجزاء، مما يسلط الضوء على التنوع الغني والخفي داخل نوع من البكتيريا لطالما اعتُبر ركيزة أساسية في عمليات التخمير.