لا تقيم البكتيريا حفلات العشاء أو تلقي النكات، لكنها اجتماعية بطريقتها الخاصة. وعندما يمنحهم وجود الغذاء الفرصة للنمو والتكاثر والتطور، فإنهم سيشكلون مجتمعات بسرعة، بل وبشغف. مثل مدينة ساحلية تنشأ على طول ممر مائي، سيتعرف مجتمع متنوع من البكتيريا والميكروبات الأخرى على الوضع الجيد للنمو وبناء نفسه.

كل مدينة بكتيرية لها قصة أصل. إن وعاء النبيذ الذي تم تخميره لعدة أشهر، والأغشية الحيوية في رئتي مريض التليف الكيسي، وينبوع ساخن غني بالكبريت، كلها بدأت بمجموعة من الخلايا المؤسسة التي شرعت في تشكيل شبكة قوية من الأنواع المتفاعلة. يمكن لهذه المجتمعات أن تؤدي وظائف بيوكيميائية لا يستطيع أي نوع القيام بها بمفرده. يستغرق النصاب القانوني المكورات اللبنية و المكور العقدي سلالات تعمل معا لإعطاء جبنة الشيدر نسيجها وتانغ. يمكن لمجموعات مختلفة من الكائنات الحية الدقيقة في الأمعاء أن تفعل ذلك تعزيز أو حادة فعالية حبوب منع الحمل.

ومع ذلك، لا توجد قواعد واضحة لشرح كيفية تجمع مجتمع البكتيريا أو سبب ازدهار أنواع معينة. عندما يواجه معظم علماء الأحياء وصف مجتمع من الكائنات الحية، يقومون بفهرسة قائمة الأنواع الموجودة. لكن عدد الأنواع البكتيرية كبير جدًا، وعمرها قصير جدًا، والاختلافات بين أي نوعين دقيقة جدًا لدرجة أن أسماء الأنواع لا توفر بالضرورة معلومات مفيدة.

ولهذا السبب تحاول مجموعة من علماء الفيزياء الذين تحولوا إلى علماء الأحياء الدقيقة استخدام تقنيات تسلسل الجينوم على نطاق واسع للكشف عن أي قواعد عالمية قد تحكم المجتمعات البكتيرية - وهو نهج البيانات الضخمة للميكروبات. فبدلاً من ذكر الأنواع بأسمائها، يركزون على ما تفعله الكائنات الحية، بهدف التعرف على الأدوار الأساسية داخل مجتمع معين.

قال: "هناك تكرار - مثل، يمكن لنوعين أن يؤديا نفس الوظيفة - ويمكن لنفس النوع أن يؤدي وظائف مختلفة اعتمادًا على ما إذا قمت بتغيير البيئة". أوتو كورديرو، عالم الأحياء الدقيقة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. "التصنيف ليس مفيدًا مثل الوظيفة."

في العام الماضي، في مختبر كورديرو، أجرى البحث عالم الأحياء الدقيقة ماتي جرالكا حدد مجموعة من الوظائف الميكروبية التي يمكن التنبؤ بها دون معلومات عن الأنواع. وبعد توصيف عمليات التمثيل الغذائي لـ 186 سلالة بكتيرية مختلفة تم جمعها من المحيط الأطلسي، وجد أنه يستطيع التنبؤ بالتفضيلات الغذائية الأساسية لميكروب معين بناءً على الجينوم الخاص به وحده.

يسمح هذا النمط للباحثين بتجاوز تسلسل الجينات المشاركة في تحليل مصدر غذائي أو آخر. اكتشف فريق جرالكا أنهم يستطيعون التنبؤ بالطعام المفضل بمجرد قياس التركيب الجزيئي للجينوم. ونشرت النتائج في طبيعة علم الأحياء الدقيقة.

وبينما لا يزال هذا المجال في مراحله الأولى، يبحث علماء البيئة الميكروبية عن طرق لتقييم ووصف المجتمعات الميكروبية التي تحدث بشكل طبيعي بسرعة، سواء في البيئة البرية أو في المستشفى. ومن خلال تطوير نظرية التجمع الميكروبي، يأملون أن يتمكنوا من تعلم رؤية البيئات المجهرية غير المرئية إلى حد كبير وسريعة التغير والتي تتكشف في كل مكان حولنا.

مجال بلا نظرية

لقد كان علم الأحياء الدقيقة محدودا لعدة قرون بمدى قدرة العلماء على رؤية ما هو أمامهم. حتى في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، إذا قام عالم الأحياء المجهرية بسكب مجتمع بكتيري على طبق بتري، فقد كانت مهمة هائلة تحديد الأنواع والأنواع الفرعية والسلالات المتنوعة داخله. كان هناك عدد كبير جدًا من الكائنات الحية مختلطة معًا، وتنحسر وتتدفق بمرور الوقت مع تغير مصادر الغذاء المتاحة وعاشت الأنواع وماتت. لا يمكن للعلماء أن يفعلوا أكثر من تحديد المستعمرات الفردية واحدة تلو الأخرى من خلال الشكل واللون والتشكل والمتطلبات الغذائية.

وحتى السنوات الأخيرة، لم يترك هذا المجال سوى القليل من النظرية المحددة لشرح كيفية تجمع الميكروبات، ولا توجد بديهيات قوية لتفسير النتائج التجريبية. في عام 2007، كتب مجموعة من علماء الأحياء المجهرية مراجعات الطبيعة علم الأحياء الدقيقة أن غياب النظرية ينبع من نقص البيانات وعدم القدرة على نطاق الميدان على تطبيق النظرية البيئية على العالم المجهري. وقالوا إنه بدون النظرية، ليس للمجال العلمي هيكل ولا شكل ولا قوة تنبؤية. يمكن لعالم البيئة الميكروبية أن يقوم بأي ملاحظة حول مجتمع ما؛ وبدون نظرية تشرح أهميتها، يمكن أن يكون أي شيء صحيحًا.

قال: "في بعض الأحيان نشكو من أن الأمور ليست مفاجئة في البيئة الميكروبية". الفارو سانشيز، عالم البيئة الميكروبية في معهد البيولوجيا الوظيفية وعلم الجينوم، وهو معهد مشترك لمجلس البحوث الوطني الإسباني وجامعة سالامانكا. "ليس لدينا سوابق قوية. ليس لدينا نظرية تنبؤية، وبالتالي لا يوجد شيء مفاجئ.

ومع ذلك، أدت الأدوات الجينية الجديدة إلى طرق جديدة لوصف المجتمعات الميكروبية. كان تسلسل سانجر، الذي كان لعقود من الزمن أسرع طريقة لتسلسل الجينات، قادرًا على تحديد الميكروبات واحدًا تلو الآخر فقط. ثم، في منتصف العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، أصبحت تكنولوجيا التسلسل عالية الإنتاجية متاحة، وفي العقد الأول من القرن الحادي والعشرين أصبحت ميسورة التكلفة إلى حد معقول. يمكن لعلماء الأحياء المجهرية التعرف على الأنواع من خلال الحمض النووي الموجود في العينة.

لقد انخرط علماء البيئة الميكروبية في هذا الأمر. قال: "كان الناس يتسلسلون الجحيم في كل شيء". جلين ديسوزا، عالم البيئة الميكروبية في المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ. “لقد سيطر على المجال وصف من كان هناك – كان هذا الخطأ موجودًا في هذه البيئة؛ وكان هذا الخطأ في تلك البيئة.

وفجأة، كشفت وفرة من البيانات عن تنوع ميكروبي غير معروف حتى الآن. وفي عام 2009، تم إجراء تسلسل كامل لأقل من 1,000 جينوم بكتيري. بحلول عام 2014، كان هناك أكثر من 30,000. وقد تضخم هذا الرقم منذ ذلك الحين: ففي نهاية عام 2023، كان هناك 567,228 جينومًا بكتيريًا كاملاً. سهل التصفح ومتاحة للإشارة الترافقية. تمثل البكتيريا اليوم ما يقرب من 80% من جميع البيانات الجينومية المتاحة.

وقال جرالكا، الذي يدير الآن مختبره الخاص في جامعة VU في أمستردام: "لم يكن لدى الناس أي فكرة عن عدد الأنواع الموجودة هناك". "لا يمكنك التمييز بينهما بشكل جيد تحت المجهر."

ومع ذلك، فإن تحديد الأنواع البكتيرية الفردية في مجتمع ما لا يمكن أن يخبر العلماء إلا بالكثير. لا تشير أسمائهم بالضرورة إلى الكثير عما يساهم به كل خطأ أو كيف يتناسب المجتمع مع بعضه البعض.

قال: "هذه المجتمعات ذات أبعاد عالية". جاكوبو جريللي، عالم البيئة الميكروبية النظرية وفيزيائي سابق في مركز عبد السلام الدولي للفيزياء النظرية في تريستا، إيطاليا. "إذا حاولنا أن نفهمها، علينا أن نتعامل مع حقيقة أن هناك العديد والعديد من المجموعات السكانية، والعديد من الأنواع المختلفة - أيًا كان معنى كلمة "الأنواع" - في هذه المجتمعات. كل هذه الأنواع لها خصائصها الخاصة، وهي تتعايش بطريقة ما.»

في 2018، إلى علوم ورقة أعطى سانشيز وفريقه علماء الأحياء المجهرية الإذن لتبسيط تفكيرهم. أظهر بحثهم المذهل أنه إذا تراجعت خطوة إلى الوراء وتركت تفاصيل محددة للغاية، مثل أسماء الأنواع الدقيقة، تتلاشى، فيمكنك فهم منطق المجتمع البكتيري بشكل أفضل، كما لو كنت تشاهد لوحة تجريدية من مسافة بعيدة.

مثل جريلي، كان سانشيز عالمًا فيزياء قبل أن يتجه إلى علم البيئة الميكروبية. قال سانشيز: "قررت أن أبدأ العمل على البيئة والمجتمعات الميكروبية لأنني لاحظت أنه على المستوى الكمي، كان هذا مجالًا لم تتم دراسته جيدًا مثل التطور".

ومن أجل هذه الدراسة، قام مختبره بزراعة بكتيريا برية مستزرعة من الأوراق الميتة والتربة حول نيو هيفن بولاية كونيتيكت. ووجدوا أنه في ظل نفس المجموعة من الظروف البيئية - نفس مصادر الكربون، ودرجة الحرارة، والحموضة، وما إلى ذلك - فإن أي مجتمع ميكروبي سيصل إلى نفس التركيب الوظيفي تقريبًا، بغض النظر عن كيفية بدايته. في تجاربه، مع كل مجموعة، ظهرت نفس المنافذ وتم ملؤها مرارًا وتكرارًا، ولكن ليس بالضرورة بنفس النوع من البكتيريا.

غيَّر البحث الطريقة التي ينظر بها علماء الأحياء المجهرية إلى المجتمع. وقال دسوزا إنه عندما قارن سانشيز المجتمعات المأخوذة من نفس البيئة، كانت أسماء البكتيريا مختلفة دائمًا. "ولكن إذا نظرت إلى محتوى الجينات الوظيفية، مثل من يفعل ماذا؟ وقال: "هذا مشابه بشكل مدهش". "لذلك لا يهم من أنت؛ ما تفعله مهم."

قوة الجينوم التنبؤية

في عام 2018، وصلت جرالكا لتوها إلى بوسطن للعمل كباحثة ما بعد الدكتوراه في مختبر كورديرو في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. لقد بدأ عمله كعالم فيزياء حيوية، حيث كان يدرس الخصائص الفيزيائية للخلايا، فرديًا وجماعيًا. لقد قرر الانضمام إلى برنامج كورديرو البحثي لأن الباحثين كان لديهما رؤى مماثلة: تطوير فهم كمي شامل للمجتمعات الميكروبية.

كان لدى كورديرو ثلاجة مليئة بميكروبات المحيط الأطلسي، والتي استخدمها مختبره لتحقيق اكتشاف مثير للاهتمام حول كيفية تشكل المجتمعات الميكروبية حول مصادر الغذاء، نُشر في علم الأحياء الحالي في عام 2019. قاموا بإسقاط كرات من الكيتين - وهو بوليمر من جزيئات السكر المتكررة التي تشكل قشور الحشرات - في مزارع البكتيريا المزروعة من العينات البحرية. وعندما أخرج العلماء الكرات للخارج، نظروا إلى المجتمعات التي تشكلت. كانت الميكروبات الآكلة للكيتين تتشبث بالكيتين بشكل متوقع، ولكن كانت هناك أيضًا بكتيريا لا تأكل الكيتين. ويبدو أن تلك البكتيريا تأكل المنتجات الثانوية التي تطرحها آكلات الكيتين. لقد شكل آكلي الكيتين وآكلي المنتجات الثانوية مجتمعًا.

أثار هذا اهتمام Gralka. بدا من الممكن التنبؤ بنوع المجتمع من خلال مصادر الغذاء وحدها: من مصدر الغذاء الأصلي، ثم من المصادر الجديدة التي نشأت عندما تحللته البكتيريا الأولية. وتساءل عما إذا كان بإمكانه التنبؤ بتغيرات المجتمع الميكروبي إذا سيطر على ظروف بدايته.

بعد ذلك، عندما انضم إلى مختبر كورديرو، قال جرالكا: "خرجت ورقة من مختبر ألفارو [سانشيز] وأحدثت ضجة كبيرة جدًا"، حيث يُظهر عمل عام 2018 أن المنافذ الميكروبية التي يمكن التنبؤ بها تظهر والتي يمكن ملؤها بواسطة العديد من الأنواع المختلفة. . فكرة أن الوظيفة أكثر أهمية من الأنواع بدت منطقية بالنسبة له. "في التربة تجد أحيانًا آلاف البكتيريا المختلفة. وقال: “ثم يفتح ذلك الأسئلة بسرعة كبيرة”. "كيف يوجد آلاف الأنواع؟ ومن المؤكد أنه لا يوجد الآلاف من المجالات المختلفة.

من خلال الجمع بين هاتين الرؤيتين من كورديرو وسانشيز، تساءل جرالكا عما إذا كان بإمكانه ليس فقط التنبؤ بالمجتمع الميكروبي من مصدر الغذاء الأولي، ولكن أيضًا استنتاج المجالات المتخصصة من جينومات البكتيريا.

أخذ جرالكا عينات من ثلاجة كورديرو. أولاً، كان بحاجة إلى توصيف البكتيريا بناءً على الأطعمة التي تفضلها. وباستخدام أدوات عالية الإنتاجية، قام بزراعة 186 نوعًا بكتيريًا مختلفًا في مزارع مكملة بـ 135 مصدرًا غذائيًا مختلفًا. أخيرًا، قام جرالكا بقياس معدلات نمو أكثر من 25,000 عينة بكتيرية.

هناك تنوع كبير في 186 نوعًا بكتيريًا كما هو الحال في 186 شخصًا مختلفًا، ومثل البشر، لكل من البكتيريا أنماطها وعاداتها الخاصة. نمت بعض بكتيريا جرالكا بسرعة على السكريات، ونمت أخرى بسرعة على الأحماض، بما في ذلك الأحماض العضوية مثل حامض الستريك وكذلك الأحماض الأمينية، وهي اللبنات الأساسية للبروتينات. وباستخدام تلك البيانات، وضع جرالكا الأنواع على ما أسماه محور السكر والحمض بناءً على تفضيلاتها.

ثم قام بتسلسل الحمض النووي لجميع الأنواع البالغ عددها 186 نوعًا ليرى كيف كانت مرتبطة تطوريًا. تفاجأ جرالكا عندما رأى أن الأنواع ذات الصلة الوثيقة داخل نفس عائلات التطور الجيني غالبًا ما يكون لها تفضيلات أيضية مختلفة. على سبيل المثال، رتبة البكتيريا العصوية الشكل Alteromonadales تحتوي داخلها على آكلات الأحماض كولويليا، أكلة السكر باراجلاسيكولا وأقل من الصعب إرضاءه الزائفةالذي أكل كليهما. وهذا يدعم الفكرة الأوسع التي تقول إن أسماء الأنواع لا تنقل الكثير من المعلومات حول وظيفة البكتيريا داخل مجتمع ميكروبي معين.

ثم تعمق تحليل جرالكا في الحمض النووي للحشرات. ولربط الجينوم بالوظيفة الأيضية، سعى إلى البحث عن الجينات المعروفة بأنها تشارك في هضم واستقلاب السكريات، وفعل الشيء نفسه بالنسبة للأحماض. ووجد أن عدد الجينات التي تأكل السكر أو الحمض يتنبأ بمكان سقوط كل ميكروب على طيف حمض السكر: كلما زاد عدد الجينات التي يمتلكها النوع لعملية واحدة أو أخرى، زاد احتمال هبوطه على نهاية المحور. . تشير النتائج إلى أن علماء الأحياء المجهرية يمكنهم تحديد عملية التمثيل الغذائي في المجتمع بشكل تقريبي من خلال البحث عن تسلسلات جينات معينة.

ثم وجد شيئا أكثر إثارة للدهشة. متجاهلاً تسلسل الجينات الفعلي، نظر مباشرة إلى الانهيار الجزيئي للحمض النووي للسلالة. في الحلزون المزدوج للحمض النووي، يتم إقران الأنواع الأربعة من القواعد في الخيوط المتعارضة، حيث يرتبط الجوانين (G) بالسيتوزين (C) والثايمين (T) المرتبط بالأدينين (A). وبشكل غير متوقع، كان متوسط ​​محتوى جينومات الأشخاص الذين يتناولون الأحماض 55% من GC، في حين بلغ متوسط ​​محتوى GC لدى آكلي السكر حوالي 40%. للتأكد من أن هذا الارتباط لم يكن أمرًا غريبًا في مجتمعه الميكروبي الخاص، قام جرالكا بتحليل مجموعة بيانات أكبر من آلاف الجينومات المرجعية من جميع أنحاء شجرة الحياة البكتيرية. استمر النمط: كان لدى متخصصي الأحماض عمومًا محتوى GC أعلى من متخصصي السكر.

بدت هذه القاعدة بسيطة بشكل لا يمكن تصوره. تنبأت كيمياء الحمض النووي للبكتيريا بمكانتها في المجتمع. استطاع جرالكا تحديد ما إذا كان نوع ما يأكل السكريات أو الأحماض في المقام الأول بناءً على محتوى الجينوم الخاص به وحده، دون فحص جيناته على الإطلاق. لقد وجدت الإحصائيات وعلم الجينوم ترتيبًا بسيطًا حيث لم يجد التصنيف أيًا منه.

التنبؤ بالمستقبل الميكروبي

يضع هذا العمل الأساس لعلم جديد يقوم على وضع تنبؤات عملية حول المجتمعات الميكروبية. لنفترض أن خط أنابيب يتسرب وينسكب النفط الخام في الغابة؛ قد يرغب عالم الأحياء الدقيقة أو عالم البيئة في معرفة البكتيريا التي ستظهر لتأكل هذا الزيت. قد يرغب الطبيب في معرفة كيف يمكن أن يتغير الميكروبيوم المعوي للمريض على مدار فترة المرض، وربما يستخدم هذا التنبؤ لوصف مضادات حيوية محددة أو أدوية أخرى.

يمكن الإجابة على العديد من الأسئلة وحل المشكلات إذا تمكن الباحثون من تقدير وظائف المجتمع الميكروبي بسرعة. وقال سانشيز: «في مختبري، نسميها معضلة المدرب». "لديك مجموعة من اللاعبين، وتريد معرفة من يجب أن تضعه في الملعب إذا كنت تريد تحقيق أقصى قدر من النقاط. لدي هذه القائمة التي تضم 100 سلالة. أريد وضعها في مفاعل حيوي، وأريد إنتاج أكبر قدر ممكن من الإيثانول. إذن ما هي السلالات التي يجب أن أضعها؟

إن القواعد التي يكشف عنها علماء البيئة الميكروبية لا يمكنها الإجابة على هذا السؤال بعد. ومع ذلك، قال جرالكا إن التقييم السريع لعملية التمثيل الغذائي الميكروبي - أو نظرية العمل للمجتمعات البكتيرية وجيناتها - يمكن استخدامه يومًا ما لدراسة وإدارة عالم من العمليات البيئية.

تعد المجتمعات الميكروبية لاعبين أساسيين في كل دورة بيئية على الأرض. عندما تسقط شجرة في غابة، تتجمع مجموعة من الفطريات والبكتيريا لتأكلها وتتحلل، مما يعيد مكونات الشجرة إلى دورات المغذيات العالمية. ومع المفاهيم التي قدمها جرالكا، وسانشيز، وكورديرو وغيرهم من علماء البيئة الميكروبية، أصبح من الممكن التنبؤ بتخصصات هذا المجتمع الجديد. يتكون الخشب في الغالب من السليلوز والهيميسيلولوز، وهي بوليمرات الجلوكوز. لذلك، فإن المجتمع الفعال الناضج للمشاركة في تحلل الغابات سوف يستضيف البكتيريا الآكلة للسكر، ويكون وفيرًا في جينات هضم السكر، وله جينومات مكونة من نسبة أقل من جزيئات GC. واقترح جرالكا أن الارتفاع المفاجئ والغامض في عدد من يتناولون الأحماض يمكن أن يكون علامة على وجود شيء خاطئ.

إن محور السكر الحمضي ليس سوى نوع واحد من المجالات المجتمعية التي يرغب علماء البيئة الميكروبية في تحديدها. عرض كورديرو النظام البيئي للغابات كمثال على هدفهم النهائي. وقد حدد علماء البيئة العديد من السمات والوظائف العامة التي تتقاسمها الغابات وتختلف فيما بينها، مما يتيح المقارنة والتنبؤ.

"ما مقدار الكتلة الحيوية الموجودة على الأوراق مقابل الجذع؟ وقال كورديرو: "اتضح أن النباتات ذات الأوراق الضخمة تتنفس بشكل أكبر في البيئات الاستوائية". "ما مدى عمق الجذور؟ وهذا يخبرك بكمية العناصر الغذائية التي يمكنهم أخذها من البيئة. ما مدى سرعة نموهم؟ كيف طويل القامة هم؟ ما مدى جودة التنافس على الضوء؟" إن معرفة عدد قليل من هذه المتغيرات يمكن أن يخبرنا كثيرًا عن ديناميكيات الغابة.

لا يعرف كورديرو ما هي السمات المشابهة للكائنات الحية الدقيقة ومجتمعاتها. من المؤكد أن العديد من البيئات البكتيرية ترتبط بعملية التمثيل الغذائي ومنتجاتها الثانوية، ولكن هناك زوايا أخرى يجب أخذها في الاعتبار. وقال: "إذا كانت لدينا طرق لمعرفة ما هي هذه المتغيرات... وطرق التعرف عليها بشكل منهجي، فسيكون ذلك مذهلاً".

بمعنى ما، يقوم هؤلاء العلماء برسم خرائط بيئية للمجتمعات الميكروبية لأول مرة. يقترح عملهم وجهة نظر جديدة حول ماهية المجتمع الميكروبي في الواقع، موضحًا أن أفضل تعريف للميكروبات هو ما تفعله.

ملاحظة المحرر: يقود كورديرو تعاون سيمونز حول مبادئ النظم البيئية الميكروبية، وهو برنامج بحثي تدعمه مؤسسة سيمونز، والتي تمول هذا أيضًا مجلة مستقلة تحريريا. لا تؤثر قرارات تمويل مؤسسة Simons على تغطيتنا.