Screening, Identification, and Characterization of a Novel Alkali- Tolerant Chitinase from Vibrio parahaemolyticus CH-1

في أعماق المحيط، حيث المياه باردة والضغط هائل، تجد الحياة وسيلة لتناول أشياء لا تستطيع معظم الكائنات الأخرى لمسها. أحد أكثر المواد وفرة على الأرض هو الكيتين، وهي مادة صلبة تشبه القشور تشكل الأغطية الخارجية الصلبة للسرطانات والروبيان والحشرات، وكذلك الجدران الخلوية للفطريات. وبينما تعد هذه المادة متينة للغاية، فقد طورت الطبيعة طريقة لتفكيكها إلى قطع أصغر وقابلة للاستخدام. تعتمد هذه العملية على أدوات بيولوجية خاصة تسمى الإنزيمات، والتي تعمل مثل مقصات جزيئية، حيث تقص سلاسل الكيتين الطويلة إلى قطع صغيرة قابلة للذوبان يمكن للبكتيريا والمخلوقات الأخرى امتصاصها كغذاء. إن العثور على هذه الإنزيمات في البيئات القاسية يعد هدفاً رئيسياً للعلماء، لأن الإنزيمات التي تعمل جيداً في الظروف الباردة أو المالحة أو القلوية العالية يمكن أن تحدث ثورة في كيفية معالجة النفايات وإنشاء مواد جديدة دون استخدام مواد كيميائية قاسية أو طاقة مفرطة.

لقد وجه فريق من الباحثين من جامعة داليان وأكاديمية لياونينغ للعلوم الزراعية اهتمامهم مؤخراً إلى رواسب أعماق البحار في بحر بوهاي في الصين للعثين على نسخة جديدة من هذه الأداة البيولوجية. كانوا يبحثون عن ميكروب يمكنه الازدهار في الأعماق المظلمة والباردة وإنتاج إنزيم قادر على تفكيك الكيتين تحت الظروف الصعبة. وبعد غربلة عينات من قاع المحيط، عزلوا سلالة بكتيرية واحدة، أطلقوا عليها اسم CH-1. ومن خلال الملاحظة الدقيقة لشكلها والتحليل المفصل لشيفرتها الوراثية، حددوا أنها نوع من البكتيريا المعروفة باسم Vibrio parahaemolyticus. كان هذا الاكتشاف هاماً لأنه، رغم أن هذه البكتيريا معروفة جيداً للعلماء، إلا أن الإنزيم المحدد الذي أنتجته لتناول الكيتين لم يسبق دراسته من قبل.

قام الباحثون بأخذ الجين المسؤول عن صنع هذا الإنزيم، والذي أطلقوا عليه اسم VpCHI-1، ودمجه في بكتيريا مختبرية شائعة، وهي E. coli، لإنتاج كميات كبيرة من البروتين. وبمجرد تنقية الإنزيم، بدأوا في اختبار حدوده. وجدوا أن الإنزيم يعمل بشكل أفضل عند درجة حرارة 35 درجة مئوية، وهي درجة حرارة باردة نسبياً مقارنة بالعديد من العمليات الصناعية، ويؤدي عمله بكفاءة أكبر في بيئة قلوية قليلاً ذات أس هيدروجيني (pH) يبلغ 8.0. وما يجعل هذا الإنزيم مميزاً بشكل خاص هو قدرته على البقاء نشطاً في ظروف قاسية جداً. فحتى عندما أصبحت البيئة شديدة القلوية، لتصل إلى أس هيدروجيني 11، احتفظ الإنزيم بأكثر من 60 بالمائة من قوته. وهذا المستوى من التحمل للقلوية العالية نادر وذو قيمة عالية للتطبيقات الصناعية حيث تكون مثل هذه الظروف شائعة.

اكتشف الفريق أيضاً كيف يتفاعل هذا الإنزيم مع المواد الكيميائية المختلفة. وجدوا أن وجود أيونات الحديد ومادة كيميائية مخبرية شائعة تسمى EDTA ساعد في الواقع الإنزيم على العمل بشكل أسرع، مما عزز نشاطه بأكثر من 50 بالمائة. وفي المقابل، عملت المعادن الثقيلة مثل الزنك والنحاس كسموم قوية، مما أدى إلى إيقاف الإنزيم تماماً تقريباً. تشير هذه الحساسية لمعادن محددة إلى أن بنية الإنزيم مضبوطة بدقة لتناسب بيئته البحرية الطبيعية، حيث تتوفر بعض المعادن بكثرة بينما ندر أخرى. وقاس الباحثون مدى سرعة قدرة هذا الإنزيم على تفكيك مصدر غذائه ووجدوا أنه فعال للغاية، وقادر على معالجة كمية كبيرة من الكيتين في وقت قصير جداً.

ولعل الاكتشاف الأكثر إثارة للدهشة هو كيفية تفكيك هذا الإنزيم للكيتين. فبدلاً من مجرد قطع المادة بطريقة واحدة محددة، يبدو أن هذا الإنزيم يستخدم استراتيجية ثلاثية؛ فهو يعمل كمزيج من ثلاث أدوات مختلفة في آن واحد: يمكنه قطع سلاسل الكيتين الطويلة من المنتصف، ويمكنه القضم من الأطراف، كما يمكنه تفكيك القطع الناتجة إلى أصغر مكوناتها. وعندما راقب الباحثون عملية التفكيك بمرور الوقت، رأوا أن الإنزيم أنشأ أولاً قطعاً متوسطة الحجم، والتي تم تحويلها بسرعة إلى منتجين نهائيين محددين: زوج من جزيئات السكر وجزيء سكر واحد. إن هذه القدرة على إنتاج مزيج نظيف ومتوقع من المنتجات النهائية تجعل من هذا الإنزيم مرشحاً قوياً لتحويل قشور النفايات إلى مكونات قيمة.

تكشف بنية الإنزيم، التي رسم الباحثون خريطتها باستخدام محاكاة الكمبيوتر، عن سبب كونه فعالاً للغاية. فالبروتين مبني من عدة أقسام متميزة، بما في ذلك قلب تحفيزي مركزي يقوم بعملية القطع وعدة نطاقات إضافية تساعد على الأرجح في الإمساك بسطح الكيتين الصلب. هذه الأقسام الإضافية، الشائعة في الإنزيمات المستخرجة من البكتيريا البحرية، قد تعمل كمراسي أو مثبتات، مما يسمح للإنزيم بالعمل بفعالية حتى عندما تكون البيئة مرهقة. وتؤكد الدراسة أن هذا الإنزيم هو بروتين مُفرز، مما يعني أن البكتيريا تطلقه في الماء لهضم الكيتين خارج خليتها. ومن خلال فهم كيفية بناء هذا الإنزيم وكيفية عمله، أصبح لدى العلماء الآن صورة أوضح لكيفية إعادة الحياة البحرية تدوير العناصر الغذائية في أعماق المحيط.

يسلط اكتشاف VpCHI-1 الضوء على إمكانية البحث في البيئات القاسية عن حلول للمشكلات الصناعية الحديثة. فخلافاً للعديد من الإنزيمات التي تتطلب حرارة عالية أو مستويات أس هيدروجيني محددة لتعمل، فإن هذا الإنزيم متكيف طبيعياً مع الظروف الباردة والقلوية لأعماق البحار. إن قدرته على تحمل الأس الهيدروجيني المرتفع والعمل في درجات حرارة منخفضة تعني أنه يمكن استخدامه في عمليات تعتبر حالياً كثيفة الاستهلاك للطاقة أو ضارة بيئياً. ويرى الباحثون أن هذا الإنزيم يمكن أن يكون لاعباً رئيسياً في تحويل النفايات الغنية بالكيتين، مثل قشور الروبيان والكابوريا، إلى منتجات مفيدة دون الحاجة إلى معالجات كيميائية قاسية. وبينما تعد هذه الدراسة خطوة تأسيسية، فإن التوصيف التفصيلي لهذا الإنزيم يوفر أساساً متيناً للعمل المستقبلي الرامي إلى تحسين المحفزات البيولوجية الصناعية. ويظهر هذا العمل أن أعماق البحار لا تزال مصدراً غنياً بالابتكار البيولوجي، وتحمل أسراراً يمكن أن تساعد في خلق طرق أكثر استدامة لإدارة النفايات وإنتاج المواد.