قام علماء معهد وايزمان للعلوم بصنع خلايا بكتيرية تحاكي العمليات المميزة للكائنات متعددة الخلايا، واكتشفوا آلية دفاع محتملة ضد السرطان
لكي يستقر حجم السكان مع مرور الوقت، لا بد من تحقيق التوازن بين الولادات والوفيات؛ إن معدل المواليد المرتفع للغاية سيؤدي إلى انفجار سكاني، في حين أن المعدل المنخفض للغاية سيؤدي إلى الانكماش. يتم الحفاظ على مثل هذا التوازن، على سبيل المثال، بين ما يقرب من عشرة آلاف مليار خلية تشكل جسمنا: في مرحلة البلوغ، تنقسم الخلايا الجذعية لتجديد أنسجة الجسم، ولكن بعد انقسامات قليلة تصبح خلايا ناضجة تنقسم بشكل أقل وتموت في النهاية. ولا يتم الشعور بهذا التوازن إلا عندما يتم انتهاكه، على سبيل المثال عندما تنقسم الخلايا دون تحكم وتشكل ورمًا سرطانيًا.
إذا كان الأمر كذلك، فإن التوازن بين الخلايا المنقسمة والخلايا الناضجة هو شرط ضروري لوجود أي كائن متعدد الخلايا، ولكن كيف يتم الحفاظ عليه؟ وفي دراسة جديدة نشرت نتائجها في المجلة العلمية الموبايل استخدم علماء معهد وايزمان للعلوم كائنات وحيدة الخلية لفهم أفضل لكيفية محافظة الكائنات متعددة الخلايا على التوازن الخلوي والدفاع ضد السرطان.
تمايز الخلايا هو "مسار تخصص" بيولوجي تنقسم فيه الخلية الجذعية إلى خليتين ابنتين، حيث تأخذ إحداهما دورًا محددًا وتكتسب الخصائص اللازمة لتحقيق هذا الدور. عندما تخضع الخلايا للتمايز، فإن خبرتها الجديدة تفيد المخلوق متعدد الخلايا الذي تشكل جزءًا منه، ولكنها تدفع بنفسها ثمنًا شخصيًا: مع تقدم مسار التمايز، تتضاءل قدرتها على التكاثر إلى درجة فقدان هذه القدرة تمامًا. إن معدل الانقسام الأبطأ، إن وجد، للخلايا المصنفة يجعل سكانها عرضة لتجمعات الخلايا التي تنقسم وتنمو بشكل أسرع، وبالتالي قد تستولي على الأنسجة ومواردها. على سبيل المثال، في أنواع معينة من سرطان الدم، تخضع الخلايا الجذعية في نخاع العظم لطفرة تؤدي إلى إبطاء تمايزها وتسمح لها بإنتاج المزيد من النسل. هذه هي الطريقة التي تستفيد بها الخلايا الطافرة من نقطة الضعف الطبيعية في التمايز وتتغلب على تجمعات الخلايا السليمة فيما يعرف باسم "الاستيلاء الطافر".
على الرغم من حدوث طفرة واحدة في المتوسط في كل انقسام خلايا في أجسامنا، إلا أن معظمنا يعيش بصحة جيدة لعقود من الزمن، وهناك عدد لا يحصى من انقسامات الخلايا دون التعرض "لاستيلاء الطفرات". ومن هذا يمكن الاستنتاج أن هناك آليات فعالة للتعامل مع هذا الخطر، لكن من الصعب التعرف عليها في الطبيعة عند الكائنات المعقدة. ولذلك فقد قام فريق البحث البروفيسور. أوري ألون في قسم البيولوجيا الجزيئية للخلية في معهد الهندسة، بكتيريا الإشريكية القولونية، التي لا تتمايز بشكل طبيعي، بحيث ستخضع لعملية تمايز اصطناعية وسيتم استخدامها لدراسة كيفية تعامل السكان مع "الاستيلاء الطافر".
"هناك مزايا واضحة لنموذج الموجات فوق الصوتية"، يوضح الدكتور ديفيد جلاس، الذي قاد البحث في مختبر البروفيسور ألون، "أحدها هو زمن الجيل القصير الذي يسمح بمتابعة تطور الطفرات على مدى مئات الأجيال الخلايا في المختبر." ومن أجل تطوير تمايز البكتيريا الإشريكية القولونية، استمد العلماء الإلهام من نوع من البكتيريا الزرقاء تسمى أنابينا. هذه البكتيريا الزرقاء تتمايز استجابة لنقص النيتروجين في بيئتهم، يتم تنفيذ عملية التمايز عن طريق قطع شرائح الحمض النووي، ونتيجة لذلك تفقد قدرتها على الانقسام، ولكنها تكتسب ميزة البقاء على قيد الحياة: القدرة على توفير النيتروجين لها وللمستعمرة.
ولمحاكاة عملية التمايز في نموذج الإشريكية القولونية، تمت زراعة البكتيريا في بيئة تحتوي على مضادات حيوية وتفتقر إلى الأحماض الأمينية الأساسية. وباستخدام أساليب الهندسة الوراثية، تم إدخال عدة نسخ من جين مقاومة المضادات الحيوية وعدة نسخ من جين إنتاج الحمض الأميني الناقص في كل بكتيريا. قبل أن تبدأ عملية التمايز الاصطناعي، أي عندما كانت البكتيريا في حالة مشابهة لحالة "الخلايا الجذعية"، كانت جينات مقاومة المضادات الحيوية نشطة، وكانت البكتيريا قادرة على الانقسام والتمايز بمعدل مرتفع على الرغم من وجود الدواء . عندما بدأت عملية التمايز عن طريق قطع نسخ الجينات المقاومة للمضادات الحيوية، فقدت البكتيريا قدرتها على الانقسام والتمييز تدريجيًا، لكنها اكتسبت ميزة البقاء: أدت القطع إلى التنشيط التدريجي للجينات لإنتاج البكتيريا. الحمض الأميني الأساسي.
"لقد أجرينا منافسة بين 11 سلالة من الإشريكية القولونية، كل منها تقطع الحمض النووي بمعدل مختلف، أي تتمايز بمعدل مختلف، وذلك للتحقق من أفضل معدل للتمايز"، يوضح الدكتور جلاس. "لقد قمنا بخلط كميات متساوية من البكتيريا معًا، وقمنا بتربيتها لبضعة أيام ثم تحققنا من بقي على قيد الحياة. لقد رأينا أن هناك اختيارًا قويًا جدًا لصالح البكتيريا التي تتمايز بمعدل معتدل. لقد أدركنا أنه من خلال معدل معتدل من التمايز، تتمكن المزارع البكتيرية من الحفاظ على التوازن الأمثل في المجموعة السكانية - في أي لحظة معينة، تكون أقلية من الخلايا "خلايا جذعية نقية" أو "خلايا مفرزة بالكامل"، ومعظمها عبارة عن "خلايا جذعية نقية" أو "خلايا مفرزة بالكامل". في المراحل المتوسطة من العملية."
يميز معدل التمايز الأمثل المتوسط أيضًا الأنظمة المختلفة في جسم الإنسان، حيث يتم الحفاظ على التوازن الكمي بين الخلايا الجذعية، والخلايا السلفية التي تكون في مراحل مختلفة من التمايز، والخلايا المصنفة التي تموت أحيانًا ويتم استبدالها بخلايا جديدة. ولكي يظل حجم السكان ثابتا، من المهم الحفاظ على التوازن حتى عندما تتغير الظروف البيئية. ولاختبار ما إذا كانت البكتيريا النموذجية تحافظ على التوازن حتى عندما تتغير الظروف، قام الباحثون بزراعتها في 36 مجموعة مختلفة من تركيزات المضاد الحيوي والحمض الأميني في وسط النمو.
"لقد رأينا أنه في جميع الحالات، باستثناء الحالات الأكثر تطرفًا، مثل الغياب التام للمضادات الحيوية، ظل المعدل الأمثل لتمايز الخلايا في المدى المتوسط، وتم الحفاظ على التوازن في السكان"، يوضح الدكتور جلاس، "وهذا يعني أن التوازن السكاني الذي يميز نموذج التمايز الذي طورناه محصن إلى حد كبير ضد المخاطر والتغيرات في البيئة. ولكن هل تعداد البكتيريا الذي يتمايز بالمعدل الأمثل مقاوم أيضًا لـ "الاستيلاء الطافر"، هل تشبه أنظمة التحكم في الكائنات متعددة الخلايا؟
ومن أجل اختبار مقاومة البكتيريا "للسيطرة الطافرة"، قام العلماء بزراعة البكتيريا المتمايزة على مدى أجيال عديدة. وتحقق الباحثون مما إذا كانت قد ظهرت خلال فترة النمو الطويلة طفرات عشوائية أدت إلى نشوء بكتيريا لا تتمايز على الإطلاق وتنقسم دون سيطرة. بمعنى، هل تنجح البكتيريا الطافرة في إحداث "سيطرة طافرة" أم أنها يتم قمعها في مرحلة مبكرة؟ في المرة الأولى التي أجروا فيها التجربة، أصيبوا بخيبة أمل عندما وجدوا طفرات تتولى المسؤولية في نصف الحالات. يوضح الدكتور جلاس: "لقد اكتشفنا أنه عندما يحدث تغيير جيني يقطع العلاقة بين التمايز وفقدان القدرة على الانقسام واكتساب ميزة البقاء على قيد الحياة، يمكن للطفرات غير المتمايزة أن تتولى المسؤولية".
وفي وقت لاحق، قام العلماء باستخدام أساليب الهندسة الوراثية بإنشاء سلالة بكتيرية جديدة مقاومة للطفرة المحددة وكرروا التجربة. يقول الدكتور جلاس: "لقد تمكنا من تنمية 270 جيلًا من البكتيريا المتمايزة دون أن تتولى الطفرات السيطرة عليها. ولسوء الحظ، فإن الحرب التي اندلعت في إسرائيل في 7 أكتوبر/تشرين الأول أوقفت التجربة أيضًا، ومن الممكن أن تكون البكتيريا أكثر استقرارًا". في الواقع، أظهر نموذج E-Coli أنه عندما تتوقف الخلية عن الانقسام ولكنها تكتسب ميزة البقاء، يتم الحفاظ على التوازن السكاني الأمثل ويتم منع الطفرات من السيطرة على "العديد من الأمراض، مثل السرطان وأمراض المناعة الذاتية فريدة من نوعها بالنسبة للكائنات متعددة الخلايا. عندما نقوم بهندسة المزيد والمزيد من خصائص الأنظمة متعددة الخلايا في كائنات وحيدة الخلية، يمكننا تحديد نقاط الضعف والبحث عنها في الأنسجة البشرية أيضًا،" يصف الدكتور جلاس مزايا النموذج الذي قاموا بإنشائه.
وبعيدًا عن العلوم الأساسية، قد يكون للنتائج الجديدة أيضًا آثار على استخدام البكتيريا في الصناعة. يقول: "تُستخدم البكتيريا المعدلة وراثيًا حاليًا لإنتاج الأنسولين والإنزيمات وغيرها من المواد للاستخدام البشري على نطاق واسع، مما يؤدي إلى إنشاء مجموعة بكتيرية متمايزة تحافظ على التوازن، وتجدد، بل وتمنع الاستيلاء على الطفرات الضارة، ويمكن تحسين هذه الطفرات". عمليات الإنتاج."
كما شاركت في الدراسة إليزابيث ويسبورد، والدكتورة عنات باران، والدكتور آفي مايو من مجموعة البروفيسور ألون في قسم بيولوجيا الخلايا الجزيئية في المعهد.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
