باكتريها زمانسنج زيستي ۲۴ ساعته دارند
در انسان، ريتمهاي شبانهروزي بهعنوان نوعي ساعت زيستي در سلولها عمل ميكند و تقريبا تمامي فرايندهاي بدن ما را تحت كنترل دارد؛ بر زمان خوابيدن و بيدار شدن اثر ميگذارد و عملكرد متابوليسم و فرايندهاي شناختي ما را تحت تأثير قرار ميدهد. اين وقتنگهدار دروني كه حول چرخهي ۲۴ ساعته در گردش است، توسط ساعت شبانهروزي ما هدايت ميشود و همين پديده در بسياري از موجودات ديگر شامل جانوران، گياهان و قارچها مشاهده شده است.
براي مدتزمان طولاني مشخص نبود كه باكتريها هم بهطور كلي تحت تأثير ريتم شبانهروزي قرار دارند. اين پديده در باكتريهاي فتوسنتزكننده نشان داده شده است كه از نور براي توليد انرژي شيميايي استفاده ميكنند؛ اما اينكه آيا انواع ديگر باكتريها نيز ساعت شبانهروزي دارند، براي مدتها يك معما بوده است. مارتا مرو، زيستشناس دانشگاه لودويگ ماكسيميليانز آلمان، ميگويد:
براي اولين بار دريافتيم كه باكتريهاي غير فتوسنتزكننده ميتوانند بهنوعي زمان را تشخيص بدهند. آنها با خواندن چرخههاي نور يا دماي محيط، فرآيندهاي مولكولي خود را با زمان روز تطبيق ميدهند.
به گزارش ساينس الرت، مرو و همكارانش در مطالعهي خود باسيلوس سوبتيليس را مورد مطالعه قرار دادند كه باكتري مقاوم و بهخوبي مطالعهشدهاي است كه در خاك و دستگاه گوارشي بسياري از حيوانات از جمله انسان يافت ميشود. باسيلوس سوبتيليس فتوسنتزكننده نيست؛ اما به علت دارا بودن گيرندههاي نوري، به نور حساس است و طبق مشاهدات قبلي از اين ميكروب، فعاليت ژني و فرايندهاي تشكيل زيستلايه آن ممكن است در پاسخ به نشانههاي محيطي چرخهي روزانهاي را دنبال كند؛ مثلا براساس شدت نور اطراف يا تغييرات محيطي.
پژوهشگران براي مطالعه اين موضوع، فعاليت بيان ژن باكتري را در محيطهاي كشت قرار گرفته در معرض تاريكي مداوم يا چرخه روزانه متناوب ۱۲ ساعت نور و ۱۲ ساعت تاريكي اندازهگيري كردند. در چرخه تناوبي نور/تاريكي، بيان ژني به نام ytvA (كدكنندهي گيرندهي نور آبي) در مرحلهي تاريكي افزايش و در مرحلهي نور كاهش يافت كه نشاندهندهي فرايندهاي پيرويكننده از ساعت شبانهروزي است. وقتي باكتري در معرض تاريكي مداوم قرار گرفت، چرخه هنوز وجود داشت؛ اما دوره طولاني شد و بدون سيگنال نور، بهطور دقيق از چرخهي ۲۴ ساعته تبعيت نميكرد.
در آزمايشي ديگر، پژوهشگران چرخههاي دما را آزمايش كردند كه روش ديگري براي تحريك تغييرات گرما بين روز و شب است. باز هم بيان ytvA كاهش پيدا كرد و وقتي دما در قالب برنامهي ۱۲ ساعت ۲۵٫۵ درجه سانتيگراد و ۱۲ ساعت ۲۸٫۵ درجه سانتيگراد جريان پيدا كرد و همانند نور، در آزمايش آزادگرد (نبود نشانههاي محيطي) چرخه ادامه داشت؛ اما دورهي آن طولانيتر شد.
پژوهشگران با توجه به نتايج تمام آزمايشها، نتيجهگيري كردند باسيلوس سوبتيليس داراي ساعت شبانهروزي است كه بهوسيلهي ريتمهاي شبانهروزي آزادگرد و پيروي سيستماتيك از نشانههاي محيطي نشان داده ميشود.
اين يافته فقط به يك گونه باكتري اشاره دارد؛ اما اولين بار است كه اين پديده در باكتريهاي غير فتوسنتزكننده نشان داده ميشود كه ميتواند به تغيير قابل توجه درك كلي ما از باكتريها منجر شود: موجوداتي كه تقريبا ۱۵ درصد از مادهي زنده زمين را تشكيل ميدهند. آنتوني دود، پژوهشگر ساعتهاي شبانهروزي از مركز جان اينس بريتانيا، ميگويد:
مطالعهي ما در را به مطالعه ريتمهاي شبانهروزي در كل باكتريها ميگشايد. اكنون كه نشان دادهايم باكتريهاي غير فتوسنتزكننده ميتوانند زمان را تشخيص بدهند، بايد فرايندهايي كه در باكتريها موجب اين ريتمها ميشوند، كشف كنيم و دريابيم كه مزيت داشتن ريتم براي باكتريها چيست.
پژوهشگران حدس ميزنند كه ريتمهاي شبانهروزي ممكن است به طريقي با سيستم بازخورد ترجمه-رونويسي تنظيم شود يا با چرخههاي متابوليك ارتباط داشته باشد. مشخص نيست كه آيا ممكن است نوعي ساعت مركزي، وقتنگهدار شبانهروزي باسيلوس سوبتيليس را كنترل كند؛، همانطور كه در انسانها پيشنهاد شده است. پژوهشگران در مقالهي خود مينويسند:
مطالعه اينكه آيا دما و نور وروديهاي ضربانساز اصلي هستند يا باسيلوس سوبتيليس چندين نوسانساز دارد،آموزنده است؛ همانطور كه براي انواعي از ارگانيسمهاي تكسلولي و پرسلولي توصيف شده است. همچنين اين امكان وجود دارد كه باسيلوس سوبتيليس يك نوسانگر اصلي يا يك يا چند نوسانساز پاييندست داشته باشد كه با ضربانساز اصلي جفت ميشوند و از آن تبعيت ميكنند.
در هر صورت، كشف وجود ساعت زيستي ۲۴ ساعته در باكتري ميتواند پيامدهاي چشمگيري داشته باشد؛ نه فقط از انديشه متخصصين درك علمي زيستشناسي باكتري بلكه درزمينهي متخصصدهاي بالقوه در علوم زيستپزشكي، كشاورزي، صنعت و موارد ديگر. آكوس كواكس، متخصص زيستمهندسي از دانشگاه متخصص دانمارك، ميگويد:
باسيلوس سوبتيليس استفادههاي مختلفي دارد؛ از توليد شوينده لباس گرفته تا محافظت از محصولات كشاورزي و پروبيوتيكهاي انساني و حيواني. بنابراين مهندسي ساعت بيولوژيكي اين باكتري به حوزههاي مختلف بيوتكنولوژي ختم خواهد شد.
يافتههاي اين پژوهش در مجلهي Science Advances گزارش شده است.
هم انديشي ها