A global genomic and structural resource for the human skin microbiome

إن جسم الإنسان ليس كائناً منعزلاً، بل هو نظام بيئي صاخب، مشهد طبيعي يضج بالحياة المجهرية التي تعيش علينا وفي داخلنا. ومن بين العديد من الأماكن التي تتخذ فيها هذه الميكروبات موطناً لها، تبرز البشرة كحدود شاسعة ومعرضة للعوامل الخارجية. إنها بيئة جافة، حمضية، وفقيرة بالمواد المغذية، ومع ذلك فهي تدعم مجتمعاً معقداً من البكتيريا، والفطريات، والفيروسات، والعتائق (archaea). لعقود من الزمن، أدرك العلماء أن ميكروبيوم الجلد هذا يلعب دوراً حيوياً في تعليم جهازنا المناعي كيفية العمل وفي الحفاظ على سلامة حواجزنا الفيزيائية. ومع ذلك، كانت رؤيتنا لهذا العالم ضبابية؛ فبسبب احتواء الجلد على عدد قليل من الميكروبات مقارنة بالأمعاء، ولأن الحمض النووي البشري غالباً ما يغمر الإشارة الميكروبية في العينات، كافح الباحثون لبناء مكتبة كاملة للكائنات التي تعيش هناك. وبدون كتالوج شامل لمن يتواجد وما هم قادرون على فعله، يصعب فهم كيف تحافظ هذه المجتمعات على الصحة أو كيف تتغير عندما يضرب المرض.

لقد ألقى فريق من الباحثين الآن شبكة أوسع بكثير، حيث أنشأ مورداً جديداً ضخماً يسلط الضوء على التنوع الخفي للبشرة البشرية. فمن خلال الجمع بين آلاف العينات التي تم جمعها حديثاً من أشخاص في جميع أنحاء الصين مع البيانات الموجودة من جميع أنحاء العالم، أعادوا بناء ما يقرب من نصف مليون جينوم من ميكروبات الجلد. هذا الجهد، المعروف باسم "بيانات الميتاجينوميات العالمية للجلد" (Global Skin Metagenomic Data)، يكشف أن الجلد موطن لعشرات الآلاف من الأنواع التي لم يرها العلماء من قبل. لا يكتفي البحث بسرد هذه الكائنات الجديدة فحسب، بل يرسم أيضاً مخططاتها الجينية لتخمين الوظائف التي تؤديها. وباستخدام نماذج حاسوبية متقدمة للتنبؤ بالأشكال ثلاثية الأبعاد للبروتينات التي لم تُدرس من قبل، كشف الباحثون عن خزان هائل من الوظائف البيولوجية التي كانت غير مرئية سابقاً. هذا العمل يحول ميكروبيوم الجلد من طبقة غامضة سيئة الفهم إلى خريطة تفصيلية عالية الدقة، مما يوفر أساساً جديداً لفهم كيفية تفاعل أجسامنا مع العالم المجهري.

لبناء هذه الخريطة الجديدة، جمع الباحثون كمية هائلة من المواد الوراثية. فقد قاموا بتسلسل الحمض النووي لـ 12,409 عينة جلد تم جمعها من متطوعين في الصين، تغطي مجموعة واسعة من الأعمار، وأنواع البشرة، والحالات الصحية، وأضافوا إليها 4,396 عينة أخرى من قواعد البيانات العامة في جميع أنحاء العالم. كما تضمنوا ما يقرب من 3,000 جينوم من البكتيريا والفطريات التي تمت زراعتها في المختبرات. وباستخدام حواسيب قوية، قاموا بتجميع هذه القطع من الحمض النووي في جينومات كاملة، معيدين بناء 452,397 جينوماً ميكروبياً متميزاً. سمحت هذه العملية بتحديد 11,891 مجموعة من البكتيريا والعتائق، و165 مجموعة من الفطريات، و87,770 مجموعة من الفيروسات التي تمثل فئات على مستوى الأنواع. ولعل الأمر الأكثر أهمية هو أن ما يقرب من 43,000 من هذه المجموعات على مستوى الأنواع لم يكن لها أي تطابق في أي قاعدة بيانات موجودة، مما يعني أنها جديدة تماماً على العلم. وسعت هذه الاكتشافات شجرة العائلة المعروفة لميكروبات الجلد بنسبة تقارب 77 بالمائة، مما كشف أن تنوع الحياة على جلدنا أغنى بكثير مما كان متصوراً سابقاً.

وجد البحث أن هذه الميكروبات المكتشفة حديثاً ليست مجرد غرائب نادرة تختبئ في الظلال؛ بل هي منتشرة ووفيرة. فهي تعيش في المناطق الدهنية من الوجه، والبقع الجافة على الذراعين والساقين، والطيات الرطبة من الجسم. وهي موجودة في الجلد السليم وفي الجلد المتأثر بحالات مختلفة، بما في ذلك الذئبة الحزازية القرنية، والبهق، والثعلبة البقعية، والصلع الأندروجيني. في الواقع، في بعض حالات المرض، شكلت هذه الميكروبات غير المعروفة أكثر من ربع المجتمع الميكروبي الإجمالي. كما بحث الباحثون فيما قد تفعله هذه الكائنات الجديدة؛ فمن خلال تحليل جيناتها، وجدوا أن هذه الميكروبات غير المصنفة تمتلك قدرات فريدة لمعالجة العناصر الغذائية وإنتاج الفيتامينات. كما وجدوا أن هذه المجموعات الجديدة تحمل جينات لمقاومة المضادات الحيوية، مما يشير إلى أن الجلد هو مستودع خفي لمقاومة الأدوية التي تم التغاضي عنها لأن العلماء كانوا يبحثون فقط عن البكتيريا المعروفة.

بعيداً عن البكتيريا، كشف الباحثون عن عالم غني من الفيروسات والفطريات التي تم تجاهلها إلى حد كبير. فقد حددوا ما يقرب من 192,000 جينوم فيروسي، معظمها فيروسات تصيب البكتيريا، وتعرف باسم العاثيات (bacteriophages). تشكل هذه الفيروسات شبكة معقدة من العلاقات مع مضيفاتها البكتيرية، حيث تعمل كمنظم طبيعي يحافظ على توازن أعداد البكتيريا. وأظهرت الدراسة أن العديد من هذه الفيروسات خاصة بالجلد ولا توجد في الأمعاء أو المحيط، مما يبرز الطبيعة الفريدة لبيئة الجلد. وبالمثل، فإن المكون الفطري للجلد، الذي تهيمن عليه جنس يسمى "مالاسيزيا" (Malassezia)، وُجد أنه يحتوي على العديد من الأنواع غير المعروفة سابقاً. واكتشف الباحثون أن مجموعات مختلفة من الفطريات لديها قدرات متخصصة لإنشاء مركبات كيميائية معقدة، مما قد يساعدها على البقاء في الظروف القاسية للجلد أو التفاعل مع المضيف البشري بطرق محددة.

كان أحد الجوانب الأكثر ابتكاراً في هذا البحث هو كيفية معالجة الفريق لمشكلة "المادة المظلمة الوظيفية". في علم الأحياء، يجد العلماء غالباً جينات تبدو مثل البروتينات ولكنها لا تطابق أي بروتين معروف في قواعد بياناتهم، مما يترك وظيفتها لغزاً. ولحل ذلك، تنبأ الباحثون بالهياكل ثلاثية الأبعاد لأكثر من 1.7 مليار تسلسل بروتيني. ومن خلال استخدام الذكاء الاصطناعي لنمذجة شكل هذه البروتينات، استطاعوا استنتاج ما قد تفعله، حتى بدون معرفة تسلسلها الجيني الدقيق. لقد ركزوا على 79,434 مجموعة من البروتينات التي ليس لها أي تطابقات معروفة. وبالنسبة لـ 1,018 منها، قاموا بإنشاء نماذج ثلاثية الأبعاد عالية الثقة. كشفت هذه النماذج عن أشكال وجيوب فريدة تشير إلى أن البروتينات تعمل كإنزيمات، مما يساعد الميكروبات على تكسير العناصر الغذائية أو نقل الجزيئات. ومن بين الاكتشافات كانت أنواع جديدة من الإنزيمات التي يمكن استخدامها في الطب أو الصناعة، مما يحول قائمة من الأكواد الجينية المجهولة إلى مكتبة من الأدوات المحتملة.

كما تتبع الباحثون العلاقات بين الفيروسات والبكتيريا التي تصيبها. ووجدوا أن الفيروسات تميل إلى استهداف مجموعات بكتيرية محددة، مع تفضيل قوي لأنواع معينة من البكتيريا الشائعة على الجلد. يشير هذا إلى أن الفيروسات تلعب دوراً حاسماً في تشكيل ميكروبيوم الجلد، ربما من خلال منع أي نوع بكتيري واحد من السيطرة. وأظهرت الدراسة أن العديد من هذه البكتيريا الجديدة وغير المعروفة هي جزء من هذه الشبكة الفيروسية، مما يشير إلى أن هذه العناصر الخفية مدمجة في النظام البيئي الأوسع. يساعد هذا المنظور المترابط في تفسير كيفية بقاء ميكروبيوم الجلد مستقراً ومرناً، حتى عند مواجهة التغيرات في البيئة أو صحة المضيف.

يمثل هذا المورد الشامل قفزة نوعية في فهمنا لجلد الإنسان. فمن خلال تقديم كتالوج مفصل للكائنات التي تعيش علينا والأدوات الجينية التي تستخدمها، يزيل هذا البحث عائقاً رئيسياً أبطأ التقدم في أبحاث ميكروبيوم الجلد. وتظهر الدراسة أن الجلد هو نظام بيئي معقد متعدد الممالك، حيث تتفاعل البكتيريا والفطريات والفيروسات والعتائق بطرق معقدة. إن اكتشاف آلاف الأنواع الجديدة ورسم خرائط لوظائفها المحتملة يشير إلى أنه لا يزال هناك الكثير لنتعلمه حول كيفية تأثير هذه الميكروبات على صحة الإنسان. إن البيانات والأدوات التي أنشأها هذا الفريق متاحة الآن للعلماء الآخرين، الذين يمكنهم استخدامها لاستكشاف أسئلة جديدة، وتطوير تشخيصات أفضل، وربما إيجاد طرق جديدة لعلاج أمراض الجلد من خلال العمل مع، وليس ضد، السكان الطبيعيين لجلدنا.