Polytech-CyanoSPO is a chemically rationalized BG11 derivative overcoming precipitation and toxicity for robust cyanobacterial growth

في الزوايا الهادئة للبحيرات والأنهار العذبة، تعمل نباتات مجهرية تسمى البكتيريا الزرقاء (cyanobacteria) باستمرار. هذه الكائنات وحيدة الخلية هي محركات العالم المائي، حيث تلتقط ضوء الشمس لتوليد الطاقة وتطلق الأكسجين، تماماً مثل الأشجار على اليابسة. ومع ذلك، يمكن لبعض هذه النباتات الصغيرة أن تصبح خطيرة؛ فعندما تهيئ الظروف المناسبة، يمكنها التكاثر بسرعة، مكونةً طبقات سميكة خضراء تُعرف باسم ازدهار الطحالب الضارة. يمكن لهذه الازدهارات أن تخنق الحياة الأخرى في الماء وتطلق سموماً تهدد إمدادات مياه الشرب، والحيوانات الأليفة، والبشر. ولفهم كيفية بدء هذه الازدهارات، وكيفية إنتاجها للسموم، وكيفية إيقافها، يجب على العلماء أن يكونوا قادرين على زراعة هذه الكائنات في المختبر؛ فهم بحاجة إلى بيئة محكومة حيث يمكنهم مراقبة انقسام الخلايا ودراسة سلوكها دون فوضى البحيرة الطبيعية.

لعقود من الزمن، كان الوصفة القياسية لتغذية هذه البكتيريا الزرقاء في المياه العذبة في المختبر هي خليط يسمى BG11. إنها تركيبة معروفة جيداً، وموثوقة من قبل الباحثين في كل مكان، تحتوي على الماء، والأملاح، والمغذيات الأساسية مثل الحديد، والنيتروجين، والفسفور. الفكرة بسيطة: قدم الطعام الذي تحتاجه الخلايا، وسوف تنمو. ولكن بالنسبة لمجموعة محددة من البكتيريا الزرقاء السامة، فشلت هذه الوصفة القياسية تماماً. فعندما حاول العلماء زراعة ثلاثة أنواع معينة — وهي Planktothik agardhii و Shackletoniella antarctica و Pseudanabaena catenata — في هذا الخليط القياسي، لم تكتفِ الخلايا بالنمو ببطء فحسب، بل توقفت عن النمو تماماً؛ حيث شحب لونها، وتعطلت آلياتها الداخلية، وماتت المزارع البكتيرية. خلق هذا الفشل عائقاً رئيسياً؛ فبدون طريقة لزراعة هذه السلالات السامة المحددة في المختبر، لن يتمكن الباحثون من دراسة ما يحفزها على إطلاق سمومها أو كيفية التنبؤ بحدوث ازدهار في البرية.

قرر فريق من الباحثين في جامعة بيتر الأكبر سانت بطرسبرغ المتعددة التقنيات التحقيق في سبب فشل هذا الطعام القياسي وبناء واحد أفضل. واكتشفوا أن المشكلة لم تكن في نقص الطعام، بل في كيفية تقديم ذلك الطعام. ففي الخليط القياسي، تفاعلت بعض المكونات مع بعضها البعض لتشكل كتلًا صلبة لا تستطيع البكتيريا أكلها، بينما خلقت مكونات أخرى بيئة كيميائية كانت سامة بالفعل للخلايا. ولإصلاح ذلك، طور العلماء وصفة جديدة معدلة أطلقوا عليها اسم Polytech-CyanoSPO. لم تخترع هذه الخلطة الجديدة مغذيات جديدة، بل استبدلت أربعة مكونات محددة بأشكال مختلفة من نفس المغذيات التي يمكن للبكتيريا استخدامها بالفعل.

تناولت التغيير الأول مسألة الحديد، وهو معدن حيوي تحتاجه البكتيريا للقيام بعملية التمثيل الضوئي. في الوصفة القديمة، كان الحديد يختلط مع مركب يتحلل بسرعة في الضوء، مما يتسبب في تحول الحديد إلى وحل يشبه الصدأ يترسب في قاع الوعاء، ولم تتمكن البكتيريا من الوصول إليه. واستبدلت الوصفة الجديدة هذا بملح حديد مختلف مقترن بجزيء خاص يعمل بمثابة "قفص واقٍ"، حيث يحافظ على الحديد في حالة سائلة ومذابة حتى تتمكن الخلايا من التقاطه بسهولة. وتضمن التغيير الثاني مصدر النيتروجين؛ فقد استخدمت الوصفة القديمة شكلاً من أشكال النيتروجين جاء معه الصوديوم، وهو ملح يمكن أن يسبب إجهاداً للخلايا ويعطل توازنها الداخلي. واستبدلت الوصفة الجديدة هذا بشكل من أشكال النيتروجين المقترن بالبوتاسيوم، وهو معدن تحتاجه البكتيريا للعمل، مما حول الطعام فعلياً إلى مصدر للطاقة والمعادن الأساسية دون التسبب في الإجهاد.

أما التعديل الثالث فقد عالج الفسفور، وهو مغذٍ رئيسي آخر. في الخليط القياسي، جعلت الطريقة التي ذاب بها الفسفور من المرجح أن يلتصق بالكالسيوم والمغنيسيوم، مكوناً مواد صلبة غير مرئية لا تستطيع البكتيريا امتصاصها. واستخدمت الوصفة الجديدة شكلاً مختلفاً من الفسفور حافظ على حموضة الماء قليلاً، مما منع تكون هذه المواد الصلبة وأبقى الفسفور متاحاً لتأكله الخلايا. وأخيراً، قام الفريق بتغيير مصدر معدن زهيد يسمى الكوبالت، حيث أزال شكلاً كيميائياً قد يكون ضاراً واستبدله بنسخة أكثر أماناً واستقراراً. كانت هذه التغييرات الأربعة صغيرة في عددها ولكنها هائلة في تأثيرها.

عندما اختبر الباحثون خليطهم الجديد مقابل الخليط القديم، كانت النتائج مذهلة. في خليط BG11 القياسي، بالكاد نجت الأنواع الثلاثة السامة؛ فلم تزد أعدادها، وفقد لونها الأخضر، ولم تنتج أي أكسجين تقريباً، وهي علامة على تعطل محركات طاقتها. وفي المقابل، انفجرت الحياة في المزارب التي نمت في خليط Polytech-CyanoSPO الجديد. وعلى مدار أربعة عشر يوماً، نما عدد الخلايا في الخليط الجديد بمعدل عشرة إلى ثلاثين ضعفاً مقارنة بالخليط القديم. وأصبح الماء في المزارب الجديدة غنياً جداً بالأكسجين لدرجة أنه احتوى على كمية أكبر مما يمكن للهواء فوقه إذابتها عادةً، وهي علامة واضحة على أن البكتيريا كانت تقوم بعملية التمثيل الضوئي بكامل سرعتها.

كما قاس العلماء أيضاً ما تبقى في الماء بعد التجربة. ففي المزارب التي فشلت، ظل الماء مليئاً بالنيتروجين والفسفور غير المستخدمين، مما أثبت أن البكتيريا كانت أكثر مرضاً من أن تأكلهما. أما في المزارب الناجحة، فقد كان الماء خالياً تقريباً من هذه المغذيات، مما أظهر أن البكتيريا السليمة قد استهلكت كل ما هو متاح تقريباً. كما حافظ الخليط الجديد على مستوى ثابت ومحايد لدرجة الحموضة (pH)، في حين أصبح الخليط القديم شديد القلوية، مما زاد من تسميم الخلايا. ومن خلال حل هذه الألغاز الكيميائية، وفر الباحثون طريقة موثوقة لزراعة هذه السلالات السامة الصعبة. هذا الاختراق يعني أن العلماء يمكنهم الآن دراسة هذه الكائنات في المختبر بثقة، مما يفتح الباب لفهم كيفية إنتاجها لسمومها وكيفية حماية إمدادات المياه من مخاطر ازدهار الطحالب الضارة.