على خطة الانقسام الخلوي
مثل دورة حياة الإنسان، والتي غالبًا ما تتضمن الولادة وتربية النسل وأخيراً الموت، فإن كل بكتيريا لها دورة حياتها الخاصة. تبدأ دورة الخلية للبكتيريا لحظة ولادتها من الخلية الأم، وتستمر خلال مرحلة النمو ومرحلة تكاثر المادة الوراثية – وتنتهي بانقسام الخلية إلى قسمين. وستمر البكتريا المولودة بنفس دورة الحياة وهكذا حتى نهاية الأجيال. على عكس البشر، لا تقرر البكتيريا أن تصبح آباء، ويحاول المجتمع العلمي منذ فترة طويلة أن يفهم ما الذي يحدد متى سيحدث الانقسام. في السنوات الأخيرة، تم تطوير التكنولوجيا التي تتيح متابعة تقدم دورة حياة خلية بكتيرية واحدة وجميع نسلها على مدى أجيال عديدة. وكانت المشكلة أن تجارب هذه الطريقة أدت إلى ظهور نماذج متضاربة، حددت عوامل مختلفة لتحديد تاريخ التقسيم. بميكشف علماء معهد وايزمان للعلوم عن نموذج التوزيع الأكثر ترجيحًا باستخدام طريقة إحصائية تجعل من الممكن تحديد سبب نتيجة معينة حتى بدون فك رموز الآليات البيولوجية المعنية.
ولاحظ الباحثون الذين تابعوا انقسام الخلية البكتيرية الواحدة في السنوات الأخيرة أن جميع نسلها يضيف حجما ثابتا إلى حجمها منذ مرحلة تكاثر المادة الوراثية حتى لحظة الانقسام. واستنتجوا من ذلك أنه خلال مرحلة التضاعف، تبدأ عمليات تُملي على الخلية ضرورة الانقسام. ولكن في هذه الأثناء، تم اكتشاف أنه حتى من لحظة الولادة وحتى وقت الانقسام، تضيف الخلايا حجمًا ثابتًا لنفسها. أدت هذه الملاحظة إلى تطوير نموذج متناقض، مفاده أن العملية التي تبدأ عند الولادة تحدد وقت الانقسام؛ ينص هذا النهج على أن بروتين التحكم يبدأ بالتراكم في الخلايا منذ ولادتها، وعندما يصل إلى مستوى العتبة فإنه ينقسم. ولسد هذه الفجوة، تم أيضًا اقتراح نموذج وسيط، يعتمد بموجبه انقسام الخلايا على الإشارات التي تنشأ عند الولادة وفي مرحلة تكرار المادة الوراثية.
ولكن كيف يمكن أن تكون النماذج المتضاربة قد تطورت بناءً على نتائج التجارب العلمية المنهجية؟ كثيرًا ما يجد العلماء في التجارب ارتباطًا وثيقًا بين ظاهرتين (ارتباط أو ارتباط، باللغة العلمية)، على الرغم من أنهما لا يؤثران في الواقع على بعضهما البعض. يقال عن هذا أحد العبارات الأكثر اقتباسًا في تاريخ العلم - الارتباط لا يعني السببية (في اللغة الإنجليزية يبدو أفضل: الارتباط لا يعني السببية). لذلك، من أجل محاولة الاختيار بين النماذج المتعارضة، من الضروري معرفة ما إذا كانت عمليات تكرار الحمض النووي هي بالفعل سبب الانقسام، أم أنها مجرد إخفاء السبب الحقيقي - تراكم البروتين الذي يبدأ عند الولادة. عادة ما تكون طريقة التمييز بين الارتباط والسببية هي من خلال فك رموز وفهم الآليات البيولوجية المعنية. ولكن هناك أيضًا طريقة أخرى.
وللاختيار بين النماذج المختلفة للتوزيع، قام البروفيسور د. ارئيل امير من قسم فيزياء الأنظمة المعقدة في المعهد وفريق من العلماء من جميع أنحاء العالم باستخدام طريقة إحصائية تسمى "اختبارات الاستقلال المشروط"، والتي طورها العالم اليهودي الأمريكي الحائز على جائزة تورينج يهودا بيرل. أجرى العلماء الاختبارات على المعلومات التي تم جمعها، بالتعاون مع جامعة تينيسي، من نمو مئات من بكتيريا الإشريكية القولونية بمعدلات مختلفة - تم إعطاء بعض الخلايا البكتيرية الظروف اللازمة للنمو والانقسام بسرعة، في حين تمت زراعة البعض الآخر في ظروف معينة. الأمر الذي فرض تباطؤ النمو والانقسام. وتضمنت المعلومات توقيت المراحل المختلفة في دورة حياة الخلية وكذلك حجم الخلايا في كل مرحلة.
باستخدام طريقة "اختبارات الاستقلال المشروط"، يتم تحييد تأثير المتغير المشتبه به عن طريق إخفاء السبب الحقيقي. ولتحقيق هذه الغاية، نظرت المجموعة البحثية، بقيادة الطالبة البحثية براثيتا كار من جامعة هارفارد، في كل مرة إلى مجموعة من الخلايا البكتيرية التي كان حجمها وقت تكاثر الحمض النووي مماثلا، لكن حجمها عند الولادة كان مختلفا. إذا كان النموذج الذي بموجبه يعتمد انقسام الخلايا فقط على تكرار الحمض النووي صحيحًا بالفعل، فإن الخلايا التي كانت بنفس الحجم في وقت النسخ ستنقسم في توقيت مماثل - بغض النظر عن حجمها عند الولادة. إذا كان النموذج خاطئًا وكان البروتين الذي يبدأ بالتراكم عند الولادة هو الذي يحدد متى ستنقسم الخلية، فإن الخلايا المولودة بأحجام مختلفة ستنقسم أيضًا في أوقات مختلفة وسيكون هناك ارتباط بين حجمها عند الولادة وحجمها. في وقت القسمة.
واكتشف العلماء أن من المدهش أن معدل النمو يؤثر على عامل القسمة. عندما تنمو الخلايا البكتيرية بمعدل بطيء، فإن عمليات تكرار الحمض النووي هي فقط التي تحدد متى تنقسم الخلية. ومع ذلك، عندما تنمو الخلايا بمعدل سريع، كان الوضع أكثر تعقيدًا، وقد تم اكتشاف أن كلتا العمليتين اللتين تبدأان عند الولادة وعمليات تكرار الحمض النووي معًا تحددان متى ستنقسم الخلية. كما سمحت لهم الأساليب التي استخدمها العلماء بالكشف عن المرحلة التي يتم فيها تحديد تاريخ الانقسام أخيرًا: بمجرد أن تبدأ حلقة الانقسام في التشديد في وسط الخلية، يتم تحديد مصير الانقسام إلى قسمين.
ومن المعروف أن استخدام اختبارات الاستقلال المشروط يتم من أجل دحض المفاهيم المقبولة ولكن الخاطئة في المجتمع العلمي. وفي هذه الحالة، قادت الطريقة الباحثين إلى دحض المفهوم المقبول حاليًا، والذي بموجبه يعتمد وقت تضاعف الحمض النووي في كل جيل من البكتيريا فقط على الوقت الذي بدأ فيه تضاعف الحمض النووي في الجيل السابق. وكشفوا أن العمليات التي تجري في الخلية الأم، بعد بدء التكاثر، قد تؤثر على الوقت المستقبلي الذي ستقوم فيه الخلايا الوليدة بتكرار الحمض النووي بنفسها.
يقول البروفيسور أمير: "إن استخدام الأساليب الإحصائية لتأكيد العلاقة السببية يتيح لنا فهم عمليات نمو وانقسام الخلايا البكتيرية بشكل أفضل". "إن اختبارات الاستقلال المشروط معروفة منذ سنوات في مجالات البحث مثل علم الأوبئة والاقتصاد وما إلى ذلك. والآن، بعد نشرنا، نرى المزيد والمزيد من الفرق تبدأ في استخدام هذه الاختبارات في دراسة دورة الخلية أيضًا. وأعتقد أن إن القدرة على توصيف عملية النمو والتكاثر للعديد من مسببات الأمراض، ستحدد الطريق لتطوير أدوية المضادات الحيوية الأكثر فعالية في المستقبل.
كما شارك في الدراسة الدكتور سريرام ثيروفادي كريشنان والبروفيسور جانا مانيك والبروفيسور جان مانيك من جامعة تينيسي في نوكسفيل بالولايات المتحدة الأمريكية.
المنحدرات والدراجات وعمليات البحث داخل الخلايا
يهدف البروفيسور آرييل أمير إلى فك رموز العمليات الحياتية ووصفها من خلال النماذج الفيزيائية والرياضية. منذ انضمامه إلى قسم فيزياء الأنظمة المعقدة في المعهد، في سبتمبر 2022، ركز أمير على البحث في دورة الحياة في البكتيريا وفهم العمليات الفيزيائية الحيوية المختلفة التي تحدث داخل الخلايا، بما في ذلك التعبير البروتيني وعمليات البحث داخل الخلايا. وهو يفعل ذلك باستخدام نماذج الاستدلال السببي والفيزياء الإحصائية، والتي نشر عنها أيضًا كتابًا. يدرس مختبره أيضًا التطور الميكروبي باستخدام النماذج الاحتمالية.
قام أمير بإنجاز رسالة الماجستير والدكتوراه في مجال الفيزياء النظرية، حول موضوع زجاج الإلكترون، بتوجيه من البروفيسور يوفال أورج والراحل البروفيسور يوسف عمري من المعهد. ذهب أمير إلى مرحلة ما بعد الدكتوراه في جامعة هارفارد وانجذب إلى البحث في مجال الفيزياء الحيوية، أولاً تحت إشراف البروفيسور ديفيد نيلسون ثم في مختبر مستقل تحت إدارته لاحقًا. في أوقات فراغه، يتسلق أمير المنحدرات ويركض ويركب الدراجة. وهو متزوج من ليندي وله ثلاث بنات.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
