Comparative Genomics Reveals a Conserved Mobile Mercury Resistance Operon in Sphingomonas sanguinis Recovered from the International Space Station

داخل محطة الفضاء الدولية، حيث توجد حلقة مغلقة من الهواء والماء المعاد تدويرهما، تجد الحياة وسيلة للاستمرار. هذه البيئة التي صنعها الإنسان ليست مجرد موطن لرواد الفضاء فحسب؛ بل هي أيضاً نظام بيئي فريد للميكروبات. ورغم أن المحطة تُنظف بعناية باستخدام المرشحات والمعالجات الكيميائية، إلا أن البكتيريا لا تزال تنجح في البقاء والتكيف، وأحياناً الازدهار في هذه الأماكن الضيقة والمعقمة. إن فهم كيفية تغير هذه الكائنات الدقيقة عندما تغادر الأرض وتدخل الفضاء أمر بالغ الأهمية. فإذا تطورت لتصبح أكثر صلابة أو مقاومة للظروف القاسية داخل مركبة فضائية، فقد تشكل مخاطر على صحة الطاقم أو تلحق الضرر بأنظمة دعم الحياة التي تبقي الجميع على قيد الحياة. لطالما اشتبه العلماء في أن بيئة الفضاء تعمل كـ "طنجرة ضغط"، مما يجبر البكتيريا على تطوير أدوات جينية جديدة للبقاء. ولكن حتى الآن، ظلت التغيرات الجينية المحددة التي تسمح لهذه الميكروبات بالبقاء في الفضاء لغزاً غامضاً إلى حد كبير.

وضع فريق من الباحثين هدفاً لحل هذا اللغز من خلال النظر في المخططات الجينية لنوع معين من البكتيريا يسمى Sphingomonas sanguinis. هذه البكتيريا هي مقيم شائع في التربة والمياه على الأرض، ولكن تم العثور عليها أيضاً بشكل متكرر في أنظمة مياه الشرب وعلى أسطح محطة الفضاء الدولية. أراد العلماء معرفة ما إذا كانت النسخ التي تعيش في الفضاء من هذه البكتيريا قد تغيرت مقارنة بنظيراتها الموجودة على الأرض. قاموا بجمع البيانات الجينية من تسع عينات من البكتيريا التي جُمعت من محطة الفضاء على مدار عدة سنوات وقارنوها بثماني عينات أُخذت من الأرض، بما في ذلك سلالات وُجدت في دم البشر، ونبات الأرز، ومياه البحر. ومن خلال قراءة ومقارنة الشفرة الجينية الكاملة لهذه السلالات السبعة عشر المختلفة، استطاع البحث رؤية أي الجينات كانت موجودة في بكتيريا الفضاء وأيها كان مفقوداً.

كشفت المقارنة عن اختلاف صارخ. كانت البكتيريا التي تعيش في محطة الفضاء متشابهة جينياً للغاية فيما بينها، حيث شكلت مجموعة عائلية متماسكة ومتميزة عن المزيج المتنوع من البكتيريا الموجودة على الأرض. والأكثر إثارة للدهشة هو أن بكتيريا الفضاء بدت أكثر تشابهاً جينياً مع سلالة من بكتيريا Sphingoma تم عزلها من دم الإنسان، مما يشير إلى أن البكتيريا الموجودة في المحطة جاءت على الأرجح من رواد الفضاء أنفسهم. ومع ذلك، لم يكن الاكتشاف الأهم هو مصدر هذه البكتيريا، بل ما كانت تحمله. وجد الباحثون أن كل سلالة من سلالات البكتيريا من محطة الفضاء تمتلك مجموعة كاملة من الجينات المصممة لإزالة سمية الزئبق، وهو معدن ثقيل سام. هذه المجموعة من الجينات، المعروفة باسم "أوبرون" (operon)، كانت مفقودة تماماً في السلالات الأرضية التي حللوها. وبينما امتلكت بعض بكتيريا الأرض أجزاءً من نظام الدفاع هذا، لم تكن أي منها تمتلك مجموعة الأدوات الوظيفية الكاملة التي حملتها بكتيريا الفضاء.

إن نظام مقاومة الزئبق هذا هو درع بيولوجي متطور. فهو يتضمن جينات تعمل كمستشعرات للكشف عن الزئبق، وناقلات تسحب السم إلى داخل الخلية، وإنزيمات تكسر الزئبق السام وتحوله إلى شكل غازي غير ضار يمكن إطلاقه. وحقيقة أن بكتيريا الفضاء تمتلك هذا النظام الكامل تشير إلى أنها تكيفت للتعامل مع الضغوط الكيميائية التي لا تواجهها نظيراتها على الأرض. تتبع الباحثون موقع هذه الجينات ووجدوا أنها لم تكن جزءاً من الكروموسوم الرئيسي للبكتيريا، بل كانت مستقرة على قطعة صغيرة من الحمض النووي تسمى "بلازميد" (plasmid). البلازميدات تشبه "أقراص التخزين المحمولة" للبكتيريا؛ حيث يمكن تبادلها بسهولة بين الخلايا المختلفة، مما يسم يسمح لبكتيريا واحدة باكتساب مهارات بقاء جديدة بسرعة من بكتيريا أخرى. يشير هذا الاكتشاف بقوة إلى أن بكتيريا الفضاء لم تطور هذه المقاومة ببطء بمرور الوقت، بل اكتسبت حزمة مقاومة الزئبق بأكملها دفعة واحدة، على الأرجح من خلال عملية تسمى "انتقال الجينات الأفقي".

لفهم مصدر هذه المقاومة، نظر الفريق إلى بكتيريا أخرى معروفة بالعيش في محطة الفضاء، مثل Ralstonia و Cupriavidus. ووجدوا أنه بينما تمتلك هذه الأنواع الأخرى أيضاً جينات مقاومة الزئبق، فإن ترتيب تلك الجينات كان مختلفاً. التنسيق المحدد لجينات مقاومة الزئبق في بكتيريا Sphingomonas لم يتطابق مع أي نوع آخر وُجد في المحطة. وهذا يشير إلى أن الباحثين لم يتمكنوا من تحديد "مانح" واحد منح البكتيريا هذه القدرة. بدلاً من ذلك، تشير الأدلة إلى تاريخ معقد حيث التقطت البكتيريا وحدة المقاومة المتنقلة هذه من البيئة المشتركة لمحطة الفضاء، ربما من مصادر متنوعة بمرور الوقت. إن الطبيعة المغلقة والمعاد تدويرها للمحطة، مع معالجاتها الكيميائية المستمرة ومواردها المحدودة، من المرجح أنها خلقت ضغطاً فريداً فضل البكتيريا التي تحمل آليات الدفاع الإضافية هذه.

إن وجود نظام مقاومة الزئبق هذا هو أكثر من مجرد فضول حول بكتيريا الفضاء؛ فهو يسلط الضوء على قلق أوسع نطاقاً للسفر طويل الأمد في الفضاء. إن قدرة هذه الميكروبات على حمل وصيانة مثل هذه الأدوات المقاومة المعقدة على عناصر جينية متنقلة يعني أنها تستطيع مشاركة هذه السمات مع بكتيريا أخرى، مما قد يخلق مجتمعاً من "الناجين الخارقين". تشير الدراسة إلى أن محطة الفضاء ليست مجرد مكان لبقاء البكتيريا، بل هي بيئة تتطور فيها وتتبادل فيها الميكروبات الأدوات الجينية لمواجهة ضغوط الرحلات الفضائية. وبينما لم يثبت الباحثون أن هذه البكتيريا تسبب ضرراً حالياً، فإن اكتشاف نظام مقاومة الزئبق المتنقل والمحفوظ في جميع عينات الفضاء يعد بمثابة تحذير. فهو يظهر أن البيئة المغلقة لمركبة فضائية يمكن أن تختار وتحافظ على السمات الجينية التي قد تجعل التحكم في الميكروبات أمراً أصعب، وهو عامل ستحتاج المهمات المستقبلية إلى القمر أو المريخ إلى مراعاته عند تصميم أنظمة دعم الحياة واستراتيجيات المراقبة الميكروبية الخاصة بها.