Mapping the Chemical Language of Bacillus Consortia: Toward the Rational Design of Microbial Biostimulants

تخيل التربة تحت قدميك ليس كمجرد تراب، بل كمدينة صاخبة وغير مرئية. في هذه المدينة، يتحدث سكان صغار يُطلق عليهم البكتيريا باستمرار، ويتبادلون السلع، ويبنون أحياءً سكنية. بعض هذه البكتيريا يشبه البستانيين المساعدين؛ فهي تعيش بالقرب من جذور النباتات وتساعد النباتات على النمو بشكل أكبر وأقوى. يطلق العلماء على هؤلاء المساعدين المفيدين اسم "المحفزات الحيوية". لفترة طويلة، استخدم المزارعون أنواعاً منفردة من هذه البكتيريا لمساعدة المحاصيل. ولكن تماماً كما قد يكون العازف المنفرد جيداً، فإن فرقة موسيقية كاملة تعزف معاً غالباً ما تبدو أفضل بكثير. هذه هي فكرة "التجمع الميكروبي" (microbial consortium) — وهو فريق من أنواع مختلفة من البكتيريا تعمل معاً. ومع ذلك، فإن اللغز الكبير يكمن في معرفة ماذا يقولون لبعضهم البعض بالضبط. هم لا يستخدمون الكلمات؛ بل يستخدمون المواد الكيميائية. فكر في هذه المواد الكيميائية كلغة سرية أو كتاب وصفات معقد يخبر البكتيريا بكيفية النمو، وكيفية محاربة الجراثيم الضارة، وكيفية إيقاظ النباتات. إن فهم هذه اللغة الكيميائية هو المفتاح لتصميم مساعدين للحدائق بقدرات فائقة يمكنهم إطعام العالم وحماية كوكبنا.

تتعمق هذه الورقة البحثية في تلك اللغة الكيميائية السرية، ولكن بدلاً من الاستماع بآذان، استخدم العلماء مجهراً عالي التقنية و"دماغاً حاسوبياً" لـ "قراءة" المواد الكيميائية. ركز الباحثون على مجموعة محددة من البكتيريا تسمى "باسيلوس" (Bacillus)، وهي مشهورة بكونها قوية ومفيدة. لم ينظروا فقط إلى نوع واحد من البكتيريا، بل خلطوا بينها في ثلاثة فرق مختلفة، أو "تجمعات"، لكل منها تشكيلة فريدة من أنواع البكتيريا من فصيلة "باسيلوس". قاموا بتنمية هذه الفرق في المختبر، ومراقبتها منذ لحظة بدء نموها (مرحلة السكون/الركود - "lag phase") حتى اكتمل نموها ونفد طعامها (مرحلة الثبات - "stationary phase"). وفي أوقات مختلفة، أخذوا لقطات للمواد الكيميائية داخل البكتيريا (المواد "داخل الخلايا" - "intracellular") والمواد الكيميائية التي تفرزها في الماء المحيط بها (المواد "خارج الخلايا" - "extracellular").

ولفهم آلاف المواد الكيميائية التي وجدوها، استخدم العلماء خدعة ذكية تسمى "الترابط الجزيئي" (molecular networking). تخيل التقاط صورة لكل مادة كيميائية ثم رسم خطوط بين المواد التي تبدو متشابهة. هذا ينشئ خريطة ضخمة، أو كوكبة، حيث تتجمع المواد الكيميائية ذات الصلة معاً مثل النجوم في مجرة. كما استخدموا التعلم الآلي، وهو يشبه روبوتاً فائق الذكاء يساعد في فرز البيانات الفوضوية للعثج الأنماط التي قد يغفل عنها البشر.

ما وجدوه كان كنزاً من التنوع الكيميائي. لم تكن فرق البكتيريا الثلاث تتحدث نفس اللغة فحسب، بل كانت لديها لهجات وتخصصات مختلفة. بدا أن أحد الفرق، لنسمه "الفريق 3"، كان الأكثر قدرة على التحدث والإنتاج. فقد كان مليئاً بمستويات عالية من الأحماض الأمينية (لبنات بناء البروتينات) ومواد كيميائية خاصة تعمل كهرمونات نباتية، وتحديداً تلك المصنوعة من "التربتوفان". هذه الهرمونات تشبه جرعات النمو السحرية للنباتات. كما أنتج "الفريق 3" الكثير من "مضادات الميكروبات"، وهي أسلحة طبيعية تستخدمها البكتيريا لمحاربة الفطريات الضارة والغزاة الآخرين. ومن المثير للاهتمام أن الفريق الذي كان الأكثر فائدة في مرحلة نمو معينة لم يكن دائماً الأكثر فائدة في مرحلة أخرى. فبينما كانت البكتيريا تكبر وتنفد مواردها الغذائية، تغير نتاجها الكيميائي، متحولاً من رسائل التركيز على النمو إلى أوضاع البقاء والدفاع.

تشير الدراسة إلى أنه من خلال خلط أنواع محددة من بكتيريا "باسيلوس" معاً، يمكنك إنشاء فريق ينتج مزيجاً أغنى وأكثر فعالية من المواد الكيميائية المفيدة مما يمكن لأي بكتيريا واحدة أن تنتجه بمفردها. وقد برز "الفريق 3"، على وجه الخصوص، كقوة ضاربة، حيث كان يضخ المزيد من "الأشياء الجيدة" — مثل هرمونات نمو النبات والأسلحة المضادة للفطريات — أكثر من الفرق الأخرى. ومع ذلك، يشدد المؤلفون على أنه بينما تبدو الخرائط الكيميائية واعدة للغاية، فإن كل هذا تم في بيئة مختبرية محكومة. الاختبار الحقيقي سيكون في رؤية ما إذا كانت هذه الفرق البكتيرية ستعمل بنفس الكفاءة في الحقول الفعلية مع التربة الحقيقية والطقس الحقيقي. لكن هذا البحث يمنحنا "معجماً كيميائياً" جديداً، وهو قاموس للغة البكتيريا، مما يساعد العلماء على الانتقال من مرحلة التخمين حول أي أنواع البكتيريا يجب خلطها إلى تصميمها فعلياً بخطة واضحة. إنها خطوة نحو إنشاء الطاقم الميكروبي المثالي للحدائق للمساعدة في حل تحديات الغذاء العالمية.