Discovery and Characterization of Novel Fluorescent Proteins and Chromoproteins from the Intertidal Sea Anemone Anthopleura dowii Verrill 1869

في أعماق المحيط، حيث يتسلل ضوء الشمس في ظلال متغيرة من الأزرق والأخضر، طورت العديد من الكائنات القدرة على التوهج. تعتمد هذه الظاهرة على فئة خاصة من الجزيئات تسمى البروتينات الفلورية. فكر في هذه البروتينات كأنها مصابيح صغيرة ذاتية الاحتواء يمكن تشغيلها بواسطة الأكسجين. عندما تمتص الضوء، تعيد انبعاثه بلون مختلف، مما يخلق توهجًا حيويًا يتراوح من الأخضر الزاهي إلى الأحمر الداكن. لطال سم العلماء استخدام هذه المصادر الضوئية الطبيعية كأدوات لمراقبة كيفية عمل الخلايا، وتتبع حركة الجزيئات داخل الكائنات الحية. لعقود من الزمن، اعتقد الباحثون أن هذه البروتينات المتوهجة توجد بشكل أساسي في الكائنات التي تنتج ضوءها الخاص، مثل بعض أنواع قناديل البحر. ومع ذلك، اكتُشف لاحقًا أن العديد من الكائنات البحرية غير المتوهجة، مثل المرجان وشقائق النعمان البحرية، تحمل أيضًا هذه البروتينات. وفي هذه الحيوانات، لا تُستخدم هذه البروتينات للعرض فحسب؛ بل يبدو أنها تلعب أدوارًا في حماية الخلايا من الإجهاد والاستجابة للبيئة. ومع ذلك، يظل هناك لغز: لماذا تبدو بعض شقائق النعمان البحرية من نفس النوع تمامًا مختلفة تمامًا في اللون؟ قد يكون أحدها أصفر زاهيًا، بينما جاره أزرق داكن أو أخضر، رغم أنهما يتشاركان في نفس المخطط الجيني.

لقد شرع فريق من الباحثين من الجامعة الوطنية المستقلة في المكسيك في حل هذا اللغز من خلال دراسة نوع معين من شقائق النعمان البحرية يسمى Anthopleura dowii، الموجود في المناطق الصخرية بين المد والجزر في باجا كاليفورنيا، المكسيك. تُعرف هذه الشقائق بتنوع ألوانها المذهل، لكن البروتينات المحددة المسؤولة عن هذه التدرجات اللونية لم يتم تحديدها أو توصيفها بالكامل من قبل. بدأ العلماء بالبحث في التعليمات الجينية، أو "الترانسكريبتوم" (transcriptome)، لشقائق النعمان، والتي تم تسلسلها منذ سنوات لدراسة سمها. ومن خلال مقارنة هذه البيانات الجينية بالبروتينات الفلورية المعروفة من كائنات بحرية أخرى، وجدوا ثلاثة مرشحين محتملين. ولفهم ما تفعله هذه البروتينات حقًا، لم ينتظر الفريق إنتاج هذه البروتينات طبيعيًا من قبل شقائق النعمان؛ بل بدلاً من ذلك، قاموا ببناء نسخ اصطناعية من الجينات التي تشفر هذه البروتينات وأدخلوها في بكتيريا، وتحديدًا بكتيريا E. coli، المشهورة بقدرتها على تصنيع البروتينات بسرعة.

قام الباحثون بزراعة هذه البكتيريا في درجتي حرارة مختلفتين، ثلاثين درجة مئوية وسبع وثلاثين درجة مئوية، لمعرفة كيف تؤثر البيئة على إنتاج البروتينات. كانت النتائج مفاجئة وكشفت عن رابط واضح بين درجة الحرارة واللون النهائي لشقائق النعمان. عندما تمت زراعة البكتيريا في درجة الحرارة الأبرد البالغة ثلاثين درجة، أنتجت بنجاح بروتينًا فلوريًا أصفر زاهيًا وآخر أخضر. ومع ذلك، عند درجة الحرارة الأكثر دفئًا البالغة سبع وثلاثين درجة، لم تتمكن البكتيريا من صنع هذين البروتينين في شكل قابل للاستخدام؛ فقد تكتلت وأصبحت غير نشطة. بدلاً من ذلك، حفزت درجة الحرارة الأكثر دفئًا إنتاج جزيء ثالث، وهو بروتين ملون (chromoprotein) أزرق داكن وغير فلوري. هذا البروتين الملون ظهر فقط عندما كانت البكتيريا دافئة، ولم يتوهج على الإطلاق، رغم كونه قريبًا من البروتينات المتوهجة.

يقدم هذا السلوك المعتمد على درجة الحرارة تفسيرًا مقنعًا لتغيرات الألوان المشاهدة في البرية. تشير الدراسة إلى أن شقائق النعمان البحرية الواحدة يمكن أن تنتج ألوانًا مختلفة اعتمادًا على درجة حرارة المياه التي تتعرض لها. في الظروف الأكثر برودة، قد تعبر الحيوانات عن البروتينات الصفراء والخضراء، مما يعطيها مظهرًا زاهيًا. وفي الطقس الأكثر دفئًا، قد تتحول إلى إنتاج البروتين الملون الأزرق الداكن، مما يغير مظهرها بالكامل. أكد الباحثون ذلك من خلال تنقية البروتينات وتحليل خصائصها الكيميائية. ووجدوا أن البروتينات الصفراء والخضراء كانت فعالة للغاية في التوهج، مع كون النسخة الصفراء ساطعة بشكل خاص. أما البروتين الأزرق، وبالرغم من عدم توهجه، فقد كان مستقرًا ومتميزًا. ومن خلال قياس كمية كل بروتين أنتجته البكتيريا، حسب الفريق أن البروتين الأصفر صُنع بكميات أكبر بكثير عند درجة الحرارة الأقل، بينما صُنع البروتين الأزرق فقط عند درجة الحرارة الأعلى.

استكشف العمل أيضًا كيفية بناء هذه البروتينات. اكتشف الفريق أن البروتينات الصفراء والخضراء تشكل مجموعات من أربعة، وهو هيكل شائع في شقائق النعمان البحرية، بينما شكل البروتين الأزرق مجموعات مماثلة أيضًا. كما بحثوا بعمق في سبب سلوك البروتينات بشكل مختلف عند درجات حرارة مختلفة، ووجدوا أن السرعة التي تقرأ بها البكتيريا التعليمات الجينية مقابل السرعة التي تنطوي بها البروتينات في شكلها النهائي كانت هي العامل الحاسم. عند درجات الحرارة المرتفعة، انطوت البروتينات ببطء شديد بحيث لم تستطع مواكبة الإنتاج، مما أدى إلى حدوث تكتلات. أما عند درجات الحرارة المنخفضة، فقد انطوت بشكل صحيح. وقد تمكن الباحثون حتى من تحسين إنتاج البروتين الأصفر عن طريق إجراء تغيير صغير في شفرته الجينية، مما أدى إلى زيادة الكمية المنتجة عشرة أضعاف. يسلط هذا النجاح الضوء على إمكانات هذه البروتينات الطبيعية للهندسة لأغراض جديدة، مثل المستشعرات التي يتغير لونها بناءً على الظروف البيئية.

في نهاية المطاف، يربط هذا البحث بين جينات شقائق النعمان البحرية، ودرجة حرارة موطنها في المحيط، والألوان النابضة بالحياة التي تعرضها. إنه يوضح أن نفس الحيوان يمكن أن يرتدي "أزياء" مختلفة من البروتينات اعتمادًا على الطقس، وهي ظاهرة تُعرف باسم "تعدد الأشكال المظهري" (polyphenism). ومن خلال تحديد وتوصيف هذه البروتينات الثلاثة المحددة، قدم العلماء صورة أوضح لكيفية استخدام الطبيعة للأدوات الجزيئية للتكيف مع البيئات المتغيرة. إن اكتشاف هذه المتغيرات، وخاصة الطبيعة الحساسة لدرجة الحرارة في إنتاجها، يعمق فهمنا لكيفية بقاء الحياة البحرية في الظروف المتقلبة لمنطقة المد والجزر. كما يفتح الباب أمام تطبيقات مستقبلية، حيث يمكن هندسة هذه البروتينات لتصبح أدوات جديدة في التكنولوجيا الحيوية، مما يسمح للعلماء بتصور العمليات البيولوجية أو اكتشاف التغيرات في البيئة بدقة أكبر. وتؤكد الدراسة أن تنوع الحياة في المحيط ليس مجرد مسألة اختلاف الأنواع، بل هو أيضًا كيفية استجابة نوع واحد بمرونة للعالم من حوله.