Ultrafast and reproducible quantitative analysis of bacterial chemotaxis by microfluidic cell counting and imaging

ليست البكتيريا مجرد ركاب سلبيين في عالمها؛ بل هي ملاحون نشطون قادرون على استشعار محيطهم والتحرك بهدف محدد. هذه القدرة، المعروفة باسم "الانتحاء الكيميائي" (chemotaxis)، تسمح للكائنات المجهرية بالسباحة نحو العناصر الغذائية التي تعيلها أو بعيدًا عن المواد السامة التي تهدد بقاءها. إنه سلوك جوهري يشكل كيفية إصابة البكتيريا للمضيفين، وتكوين مجتمعات واقية، وإيجاد الغذاء في البيئات المعقدة. وبالنسبة للعلماء، فإن فهم هذا الملاحة أمر بالغ الأهمية، ومع ذلك، كان قياسه لفترة طويلة عملية بطيئة وغير دقيقة. فلطالما تطلبت الطرق التقليدية الانتظار طوال الليل حتى تنمو البكتيريا لتصبح مستعمرات مرئية في طبق بتري، وهي عملية تتطلب جهداً كبيراً وعرضة للتناقضات. ولأن النتائج يمكن أن تختلف كثيراً اعتماداً على كيفية إعداد التجربة، فقد كان من الصعب اكتشاف التغيرات الدقيقة في كيفية استجابة البكتيريا لبيئتها أو اكتشاف مواد جديدة تجذبها أو تنفرها.

لقد طور باحثون في جامعة مدينة هونغ كونغ طريقة جديدة لمراقبة هؤلاء السباحين المجهريين تكون أسرع وأكثر موثوقية بكثير. فبدلاً من انتظار نمو المستعمرات، قاموا بدمج طريقة اختبار كلاسيكية مع آلة عد آلية صغيرة. في نهجهم، توضع البكتيريا في خزان بجوار أنبوب زجاجي ضيق يحتوي على مادة كيميائية محددة. إذا كانت المادة جذابة، تسبح البكتيريا داخل الأنبوب؛ وإذا كانت منفرة، تظل بعيدة. في الماضي، كان على العلماء الانتظار لساعات، ثم تخفيف السائل الموجود في الأنبوب والانتظار يوماً آخر لعد المستعمرات الناتجة. يتجاوز النظام الجديد لعبة الانتظار هذه تماماً؛ فبمجرد أن تأخذ البكتيريا وقتاً كافياً للسباحة داخل الأنبوب، يُحقن السائل مباشرة في جهاز "ميكروفلويديك" (microfluidic device) — وهو شريحة ذات قنوات مجهرية — حيث تقوم كاميرا وحاسوب بعد كل بكتيريا في الوقت الفعلي. تقلل هذه العملية الوقت اللازم للحصول على نتيجة من أكثر من اثني عشر ساعة إلى بضع دقائق فقط.

قام الفريق أولاً ببناء واختبار شريحة العد هذه لضمان عملها بشكل موثوق تحت ظروف مختلفة. لقد أنشأوا قنوات بأحجام متنوعة واختبروا كيفية تحرك البكتيريا عبرها بسرعات مختلفة. وباستخدام المحاكاة الحاسوبية، رسموا خريطة لكيفية تدفق الماء داخل هذه الأنابيب الصغيرة، مؤكدين أنه حتى عندما تتغير سرعة التدفق بشكل كبير، يمكن للجهاز لا يزال عد البكتيريا بدقة. ووجدوا أن النظام ظل دقيقاً سواء كانت القناة واسعة أو ضيقة، وسواء تحرك السائل ببطء أو بسرعة. هذه المتانة حيوية لأنها تعني أن النتائج تعتمد على سلوك البكتيريا، وليس على تقلبات الآلة. وعندما اختبروا الجهاز مع مواد جاذبة ومنفرة معروفة، نجح في قياس عدد البكتيريا التي تحركت نحو مادة تسمى "الأسبارتات" وعدد البكتيريا التي تجنبت مادة تسمى "الإندول". كانت النتائج متسقة وأظهرت تفاوتاً أقل بكثير من الطرق القديمة، مما سمح للباحثين برصد الاختلافات التي كانت مخفية سابقاً بسبب الضجيج التجريبي.

ومع امتلاك هذه الأداة الموثوقة، وجه الباحثون اهتمامهم إلى مواد لم تكن مفهومة جيداً. فقد اختبروا كيفية تفاعل البكتيريا مع أيونات معدنية مختلفة، وهو سؤال لم يتم استكشافه بدقة. واكتشفوا أن النيكل يعمل كمادة منفرة قوية، مما يجعل البكتيريا تسبح بعيداً عنه. كما وجدوا أن الزنك يمكن أن يعمل كمادة منفرة عند التركيزات العالية، ولكنه قد يعمل كمادة جاذبة طفيفة عند المستويات المنخفضة. ولفهم أي جزء من البكتيريا هو المسؤول عن استشعار هذه المعادن، قارنوا بين البكتيريا الطبيعية ونسخة متحورة تفتقر إلى بروتين مستقبل محدد. لا تزال البكتيريا المتحورة تتفاعل مع الزنك، لكنها فقدت معظم قدرتها على استشعار النيكل. وقد أثبت ذلك أن المستقبل المحدد ضروري للكشف عن النيكل وليس لاستشعار الزنك، مما كشف عن طبقة جديدة من التفاصيل في كيفية تفاعل البكتيريا مع عالمها الكيميائي.

ولدفع هذه التكنولوجيا إلى أبعد من ذلك، صمم الباحثون نسخة ثانية من الجهاز تلغي الحاجة إلى نقل العينة من الأنبوب إلى العداد. في هذا النظام المتكامل، تعمل القناة الضيقة نفسها كمكان للاختبار ومحطة للعد. تسبح البكتيريا مباشرة من الخزان إلى القناة، وتراقبها الكاميرا أثناء حركتها في الوقت الفعلي دون الحاجة إلى مضخات خارجية أو مياه جارية لإزعاجها. سمح هذا الإعداد للفريق بمراقبة رحلة البكتيريا أثناء حدوثها، والتقاط اللحظات الأولى لاستجابتها. لاحظ الباحثون أن البكتيريا بدأت تتجمع في القناة خلال عشر دقائق من التعرض لمادة جاذبة، وهي سرعة لم تستطع الطرق القديمة مضاهاتها أبداً. علاوة على ذلك، سمح هذا النظام بتتبع مسار البكتيريا الفردية، مما أظهر أنها لم تنجرف عشوائياً فحسب، بل تحركت باتجاه واضح نحو مصدر المادة الكيميائية.

يُظهر هذا العمل أنه من خلال الجمع بين طريقة بسيطة ومجربة زمنياً مع تقنيات التصوير الحديثة، يمكن للعلماء مراقبة سلوك البكتيريا بوضوح وسرعة كانا مستحيلين في السابق. لا يتطلب النهج الجديد معدات معقدة أو أياماً من الانتظار، مما يجعله متاحاً لنطاق أوسع من المختبرات. إنه يوفر صورة كمية واضحة لكيفية ملاحة البكتيريا في عالمها، من تفاعلها مع المغذيات الشائعة إلى استجابتها لأيونات المعادن. ومن خلال إزالة التأخيرات والتناقضات التي كانت سائدة في الماضي، يفتح هذا الأسلوب الباب أمام اكتشاف إشارات كيميائية جديدة وفهم القواعد الأساسية التي توجه الحياة المجهرية.