High-efficiency antimony biomineralization by Serratia marcescens: process optimization and integrated genomic–transcriptomic–proteomic analysis

يعد الأنتيمون من العناصر شبه الفلزية السامة التي أصبحت مشكلة متزايدة في الماء والتربة، لا سيما بالقرب من عمليات التعدين. يوجد في الطبيعة في أشكال مختلفة، ولكن أحد أشكاله، المعروف باسم الأنتيمون (III)، خطير للغاية على الكائنات الحية لأنه يمكنه تعطيل الطريقة التي تولد بها الخلايا الطاقة وتصلح نفسها. وبينما تمتلك الطبيعة طرقاً للتعامل مع المعادن الثقيلة، بما في ذلك البكتيريا التي يمكنها تحويل المواد السامة إلى أشكال أقل ضرراً، فإن الخطوات المحددة التي تتخذها هذه الكائنات الدقيقة لتحييد الأنتيمون ظلت لغزاً كبيساً. لقد عرف العلماء منذ فترة طويلة أن بعض الميكروبات يمكنها تحويل الأنتيمون المذاب إلى بلورات صلبة، مما يحجز السم بفعالية، لكنهم لم يفهموا تماماً كيف تنجو البكتيريا من السمية لفترة كافية للقيام بهذا العمل، أو كيف تبني تلك البلورات بالضبط.

قام فريق من الباحثين في جامعة غويتشو الآن بكشف طبقات هذه العملية من خلال دراسة نوع معين من البكتيريا وجدوه في نفايات منجم للأنتيمون في الصين. لقد عزلوا سلالة من بكتيريا "سيراشيا ماريسينز" (Serratia marcescens)، وهي ميكروب عصوي الشكل أثبت أنه قوي للغاية، وقادر على البقاء في مياه تحتوي على أكثر من 250 ميليمول من الأنتيمون لكل لتر. هذا المستوى من التحمل أعلى بكما مما يمكن لمعظم البكتيريا الأخرى تحمله. أراد الباحثون ألا يعرفوا فقط أن هذه البكتيريا يمكنها تنظيف المياه، بل كيف تمكنت من تحويل السم المذاب إلى معدن بلوري صلب يسمى ثلاثي أكسيد الأنتيمون. وللإجابة على ذلك، لم يكتفوا بمراقبة نمو البكتيريا فحسب؛ بل جمعوا بين التصوير المتقدم والتعمق في التعليمات الجينية للميكروب والبروتينات التي ينتجها، مما خلق صورة كاملة للآلية البيولوجية في العمل.

كانت الخطوة الأولى هي إيجاد الظروف المثالية لتقوم البكتيريا بمهمتها. ومن خلال اختبار درجات الحرارة المختلفة، ومستويات الحموضة، وسرعات التحريك، اكتشف الفريق أن البكتيريا تعمل بشكل أفضل في مياه حمضية قليلاً عند درجة حرارة 21.7 درجة مئوية. وتحت هذه الظروف المثالية، أزالت الميكروبات 96.18 بالمائة من الأنتيمون من الماء في خمسة أيام فقط. لكن القصة الحقيقية تكمن فيما حدث خلال تلك الأيام. فباستخدام مجاهر عالية القدرة وأدوات تصوير ضوئية، راقب الباحثون عملية التحول وهي تتكشف بمرور الوقت. ورأوا أن العملية لم تحدث دفعة واحدة؛ ففي اليوم الأول، لم يظهر أي شيء مرئي. ثم بدأت كتل صغيرة محببة تلتصق بسطح البكتيريا. وبحلول اليوم الثاني، نمت هذه الكتل لتصبح بلورات رقائقية متميزة تتراكم فوق بعضها البعض مثل كومة من الكتب غير المنتظمة. واستغرق الأمر حوالي 36 ساعة ليتحول الأنتيمون المذاب بالكامل إلى بلورة صلبة من ثلاثي أكسيد الأنتيمون. أكد هذا الرصد التدريجي أن البكتيريا تنشئ أولاً طبقة هلامية ناعمة وغير منظمة قبل أن تتصلب إلى البلورة النهائية، وهو مسار يختلف عن كيفية تشكل البلورات عادة في أنبوب الاختبار.

لفهم كيفية بقاء البكتيريا على قيد الحياة في مثل هذه البيئة السامة أثناء بناء هذه البلورات، نظر العلماء داخل الشفرة الجينية للميكروب وبروتيناته النشطة. ووجدوا أن البكتيريا خضعت لإعادة تنظيم داخلية هائلة للتعامل مع الإجهاد. قامت البكتيريا أساساً بإيقاف قدرتها على الحركة؛ حيث تم إيقاف تشغيل الجينات المسؤولة عن بناء "السياط"، وهي الذيول الصغيرة الشبيهة بالسوط التي تستخدمها البكتيريا للسباحة. كانت هذه خطوة مقصودة لتوفير الطاقة؛ فالسباحة تتطلب قدراً هائلاً من الطاقة، ومن خلال التوقف، استطاعت البكتيريا توجيه كل تلك القوة نحو ضخ الأنتيمون السام خارج خلاياها وبناء البلورات الواقية. وبدلاً من السباحة، قامت البكتيريا بتكثيف غلافها الخارجي، مما خلق حاجزاً فيزيائياً ساعد في حبس الأنتيمون ووفر مكاناً لنمو البلورات.

في الوقت نفسه، عززت البكتيريا أنظمة دفاعها الداخلية. يهاجم الأنتيمون السام أجزاءً محددة من الخلية ضرورية للحياة، وخاصة مجموعات الحديد والكبريت التي تعمل كبطاريات صغيرة لإنتاج طاقة الخلية. استجابت البكتيريا من خلال البحث بنشاط عن الحديد والكبريت من محيطها لإصلاح هذه الأجزاء المتضررة. كما رفعت إنتاجها من مضادات الأكسدة، وهي جزيئات تعادل النواتج الكيميائية الضارة التي تنشأ عندما تتعرض الخلية للهجوم. أظهرت الدراسة أن البكتيريا غيرت عملية التمثيل الغذائي لديها للتركيز على حرق الدهون وتشغيل دورة الطاقة الخاصة بها بكفاءة أكبر، مما يضمن امتلاكها ما يكفي من القوة لتشغيل المضخات التي تطرد السم. سمح هذا الجهد المنسق للميكروب ليس فقط بالبقاء على قيد الحياة، بل بتحويل السم السائل بنشاط إلى معدن صلب.

تشير النتائج إلى أن هذه البكتيريا قد طورت استراتيجية متطورة توازن بين البقاء واستعادة الموارد. فهي لا تكتفي بمجرد تحمل السم، بل تقوم بتحويله بنشاط. ومن خلال تحويل الأنتيمون المذاب إلى بلورات صلبة، تزيل البكتيريا التهديد من الماء بفعالية مع إنشاء مورد معدني قيم. يوفر البحث مخططاً تفصيلياً لكيفية حدوث ذلك، موضحاً أن العملية تعتمد على تسلسل دقيق من الأحداث: التوقف عن الحركة غير الضرورية، وإصلاح الآلات الخلوية المتضررة، وتوجيه تكوين البلورات على سطح الخلية. يقدم هذا الاكتشاف منظوراً جديداً حول كيفية تعامل الطبيعة مع تلوث المعادن الثقيلة، ويشير إلى إمكانية استخدام عمليات بيولوجية مماثلة لتنظيف المواقع الملوثة واستعادة المواد المفيدة من النفايات.