The growth characteristics and metabolic profiling of Δ 5,7 -sterols and fatty acids in Schizochytrium sp. S31 under different culture conditions

في أعماق عالم المحيطات المجهري، تلعب مجموعة من الكائنات وحيدة الخلية المعروفة باسم "الثراوستوشيتريد" (thraustochytrids) دوراً هادئاً ولكنه حيوي. هذه الكائنات غير ذاتية التغذية، والتي لا تستطيع صنع غذائها بنفسها مثل النباتات بل تستهلك المواد العضوية بدلاً من ذلك، تعمل كمعيد تدوير أساسي في النظم البيئية البحرية. فهي تفكك المواد الميتة وتساهم في دورة الكربون، ومع ذلك، فقد جذبت اهتمام العلماء مؤخراً لسبب مختلف: قدرتها على تصنيع مغذيات عالية القيمة. ومن بين هذه المغذيات أحماض دهنية طويلة السلسلة، مثل حمض الدوكوساهيكسانويك (DHA)، وهو ضروري لصحة دماغ وقلب الإنسان، والستيرولات، وهي جزيئات شمعية تساعد في بناء واستقرار الأغشية الخلوية. كما تنتج بعض هذه الكائنات مادة "الأستاكسانتين"، وهي صبغة مضادة للأكسدة قوية تمنح السلمون وطيور الفلامنجو لونهما الوردي. وقد تمثل التحدي للباحثين في فهم كيفية حث هذه المصانع المجهرية على إنتاج هذه المركبات القيمة بكفاءة، حيث يعتمد إنتاجها بشكل كبير على البيئة التي تُزرع فيها.

لقد وضع فريق من الباحثين خطة لرسم الخرائط الدقيقة للظروف البيئية المطلوبة لتعظيم إنتاج هذه المركبات الثلاثة المتميزة في سلالة معينة من الثراوستوشيتريد تسمى Schizochytrium sp. S31. وقد ركزوا على ثلاثة متغيرات رئيسية: كمية السكر (الجلوكوز) المتاحة كغذاء، وملوحة الماء (الملوحة)، ومستوى الحموضة (pH). ومن خلال ضبط كل عامل من هذه العوامل بشكل منهجي في المختبر، لاحظوا كيف تنمو الخلايا وكيف يتغير تركيبها الكيميائي الداخلي. لم يكن الهدف مجرد تنمية المزيد من الخلايا، بل العثور على "النقطة المثالية" التي ينتج فيها الكائن كميات عالية من الستيرولات، وDHA، والأستاكسانتين، بدلاً من إنتاج واحد منها على حساب الآخرين.

اكتشف الباحثون أنه بينما كان السكر والحموضة مهمين، كانت ملوحة الماء هي الرافعة الأكثر قوة لتغيير الملف الكيميائي للخلية. فعندما تمت زراعة المزرعة في ظروف منخفضة الملوحة، وتحديداً بتركيز 10 جرامات من ملح البحر لكل لتر، حققت الخلايا أعلى مستوياتها من إجمالي الأحماض الدهنية وDHA. وفي هذه البيئة، شكل نوع معين من الستيرول يسمى "إرغوستيرول" الجزء الأكبر من محتوى الستيرول في الخلية، حيث شكل 41 بالمائة. ومع ذلك، مع زيادة تركيز الملح، غيرت الخلايا استراتيجيتها؛ حيث بدأت في إنتاج نوع مختلف من الستيرول، يُعرف باسم C28-Δ5,7، والذي أصبح الشكل السائد تحت ظروف الملوحة العالية. يشير هذا التحول إلى أن الخلايا تقوم بنشط بإعادة تشكيل هيكلها الداخلي للنجاة من إجهاد البيئة الأكثر ملوحة، تماماً كما قد يعدل الشخص ملابسه عند تغير الطقس.

كما كشفت الدراسة أن الخلايا لديها حد أقصى لكمية السكر التي يمكنها معالجتها. فقد تم الوصول إلى أقصى قدر من الكتلة الحيوية، أو إجمالي وزن الخلايا، عندما احتوت المزرعة على 60 جراماً من الجلوكوز لكل لتر. ولم يساعد إضافة المزيد من السكر فوق هذه النقطة الخلايا على النمو بشكل أكبر؛ بل في الواقع، أعاق نموها قليلاً، ويرجح أن ذلك بسبب أن التركيز العالي للسكر خلق إجهاداً فيزيائياً جعل من الصعب على الخلايا امتصاص العناصر الغذائية. ومن المثير للاهتمام أن العلاقة بين المغذيات المختلفة كانت معقدة؛ فبينما عززت مستويات الملح المنخفضة إنتاج الأحماض الدهنية وDHA، إلا أنها قللت في الواقع من إنتاج الأستاكسانتين. وعلى العكس من ذلك، يبدو أن مستويات الملح الأعلى شجعت على زيادة طفيفة في الأستاكسانتين، حتى مع انخفاض مستويات DHA. يشير هذا إلى أن المسارات التي تستخدمها الخلايا لصنع هذه المواد مرتبطة ببعضها البعض ولكن يمكن سحبها في اتجاهات مختلفة اعتماداً على البيئة.

ولفهم الآلية الكامنة وراء هذه التغييرات، نظر الباحثون إلى النشاط الجيني داخل الخلايا تحت ظروف الملوحة المختلفة. ووجدوا أنه عندما كان مستوى الملح منخفضاً، قامت الخلايا بتنشيط عملية تسمى "أكسدة بيتا" (beta-oxidation)، والتي تفكك الأحماض الدهنية لتوليد الطاقة واللبنات الأساسية. وفر هذا الارتفاع في النشاط فائضاً من "الأسيتيل-CoA"، وهو جزيء أساسي يغذي خطوط إنتاج كل من الستيرولات وDHA. ومع ذلك، خفضت الخلايا أيضاً الجينات المسؤولة عن الخطوات النهائية لصنع الأستاكسانتين. هذا الضبط الجيني الدقيق يفسر لماذا استطاعت الخلايا إنتاج الكثير من DHA والستيرولات في الملوحة المنخفضة ولكنها كبحت إنتاج الأستاكسانتين. وقد حددت الدراسة جينات معينة يمكن أن تكون أهدافاً للهندسة المستقبلية، مما يشير إلى أن الكائن لديه القدرة على إنتاج ستيرولات قيمة أخرى، مثل الكوليسترول والستيغماستيرول، إذا توفرت الظروف المناسبة.

حدثت النتيجة الأكثر نجاحاً في الدراسة عندما دمج الباحثون المستويات المثلى لجميع العوامل الثلاثة: 60 جراماً من الجلوكوز، و10 جرامات من ملح البحر، ودرجة حموضة (pH) تبلغ 5.5. وتحت هذه الظروف المحددة، حققت المزرعة أقصى كثافة خلوية بلغت 17.4 جراماً لكل لتر. والأهم من ذلك، سمحت هذه البيئة بالتراكم المتزامن لجميع المركبات الثلاثة المستهدفة؛ حيث أنتجت الخلايا 50.73 مليجرام من إجمالي الـ Δ5,7-ستيرولات لكل لتر، و1,097 مليجرام من DHA لكل لتر، و0.11 مليجرام من الأستاكسانتين لكل لتر. وتثبت هذه النتائج أنه من الممكن توجيه سلالة ميكروبية واحدة لإنتاج مشترك لعدة مواد حيوية عالية القيمة، بدلاً من إجبارها على الاختيار بينها.

يوفر هذا العمل خارطة طريق واضحة لكيفية زراعة هذه المصانع المجهرية. فمن خلال فهم أن مستويات الملح تعمل كمفتاح رئيسي لنوع الستيرولات المنتجة، وأن مستويات السكر تحدد حد النمو الإجمالي، يمكن للعلماء تصميم عمليات تخمير أفضل. وتشير النتائج إلى أن المسارات الأيضية لصنع الدهون والستيرولات والصبغات مترابطة بعمق، وتستجيب للإجهاد البيئي بطريقة منسقة. وبينما ركزت الدراسة على سلالة واحدة في بيئة محكومة، فإن الرؤى المكتسبة تقدم أساساً لتطوير طرق أكثر كفاءة لحصاد هذه المغذيات، التي تزداد أهميتها للصحة البشرية والتطبيقات الصناعية. ويؤكد البحث أنه مع توفر الإشارات البيئية الصحيحة، يمكن حث هذه الخلايا الصغيرة لتصبح مصادر منتجة للغاية للمغذيات الأساسية.