خميرة ضوئية: إنجاز علمي يغير قواعد اللعبة في مجال العلوم والطاقة

قد تكون على دراية بالخميرة، باعتبارها كائن حي يحول الكربوهيدرات إلى منتجات مثل الخبز والبيرة عند تركها لتتخمر في الظلام، وفي هذه الحالات، قد يؤدي التعرض للضوء إلى إعاقة العملية أو حتى إفسادها.

ولكن مؤخرا قام الباحثون في معهد جورجيا للتكنولوجيا بتطوير أول سلالات الخميرة القادرة على الاستفادة من ضوء الشمس كمصدر للطاقة مما سيوسع فهمنا لعملية تطور هذه الخاصية، ويفتح المجال أمام تحسينات في مجال الوقود الحيوي ودراسة شيخوخة الخلايا.

تعرف الخميرة عادة بقدرتها على تحويل الكربوهيدرات إلى منتجات كالخبز والبيرة (الجعة) عند تخميرها في الظلام، بينما يمكن أن يعوق الضوء عملية التخمير أو يفسدها.

في دراسة جديدة نشرت في مجلة “كارنت بيولوجي” (Current Biology)، قام باحثون من مختبر وليام راتكليف في كلية العلوم البيولوجية بجامعة جورجيا للتكنولوجيا بتصميم واحدة من أولى سلالات الخميرة في العالم والتي قد تكون أكثر إنتاجا تحت الأضواء.

قام الباحثون بتطوير سلالة جديدة من الخميرة تستطيع استخدام ضوء الشمس مصدرا للطاقة من خلال إدخال جين واحد ينتج بروتين رودوبسين.

فرص لفهم آليات انتقال الجينات ودراسة التطور

سبق للمختبر أن درس عملية تطور الكائنات متعددة الخلايا عبر 3000 جيل من الخميرة لكنه واجه حدودا بسبب نقص الطاقة، لذا قاموا بإضافة جين ينتج بروتين رودوبسين يحول الضوء إلى طاقة دون الحاجة لأجهزة خلوية معقدة. وأظهرت الخميرة المعدلة قدرة على النمو بمعدل أعلى تحت الضوء، مما يوفر فرصا لفهم آليات انتقال الجينات ودراسة تطور الكائنات متعددة الخلايا. كما ستساعد في تحسين إنتاج الوقود الحيوي ودراسة عملية الشيخوخة.

يقول أنتوني بورنيتي، عالم الأبحاث الذي يعمل في مختبر البروفيسور المشارك ويليام راتكليف والمؤلف المراسل للدراسة: “لقد صدمنا بصراحة مدى سهولة تحويل الخميرة إلى كائنات ضوئية (كائنات يمكنها تسخير واستخدام الطاقة من الضوء).”

وأضاف “كل ما كنا بحاجة إلى القيام به هو تحريك جين واحد، وقد نمت بشكل أسرع بنسبة 2% في الضوء مقارنة بالظلام. وبدون أي ضبط دقيق أو إقناع دقيق، نجح الأمر.”

وهذه هي المرة الأولى التي يتم فيها إثبات قدرة الخميرة على استخدام الضوء كمصدر للطاقة، ويشير هذا الاكتشاف إلى أن الكائنات الحية أحادية الخلية الأخرى قد تمتلك نفس القدرة، ويمكن أن يؤدي هذا الاكتشاف إلى تطوير أنواع جديدة من الوقود الحيوي أكثر كفاءة واستدامة.

إن تجهيز الخميرة بسهولة بمثل هذه السمة المهمة من الناحية التطورية يمكن أن يعني أشياء كبيرة لفهمنا لكيفية نشوء هذه السمة، وكيف يمكن استخدامها لدراسة أشياء مثل إنتاج الوقود الحيوي، والتطور، وشيخوخة الخلايا.

ويمكن أن يساعدنا هذا الاكتشاف على فهم كيفية تطور الحياة على الأرض وكيفية تكيّفها مع الظروف البيئية المتغيرة، كما يمكن أن يساعدنا هذا الاكتشاف على فهم الشيخوخة الخلوية بشكل أفضل.

البحث عن تعزيز الطاقة

كان البحث مستوحى من العمل السابق للمجموعة الذي يبحث في تطور الحياة متعددة الخلايا. نشرت المجموعة تقريرها الأول عن تجربة التطور طويل الأمد متعدد الخلايا في مجلة “نيتشر” العام الماضي، وكشفوا كيف تمكن كائنهم النموذجي أحادي الخلية، “خميرة ندفة الثلج”، من التطور لكائن متعدد الخلايا على مدى 3000 جيل.

وخلال تجارب التطور هذه، ظهر أحد القيود الرئيسية للتطور متعدد الخلايا: الطاقة.

يقول بورنيتي: “يواجه الأكسجين صعوبة في الانتشار عميقًا في الأنسجة، وتحصل على الأنسجة دون القدرة على الحصول على الطاقة نتيجة لذلك”. “كنت أبحث عن طرق للتغلب على محدودية الطاقة المعتمدة على الأكسجين.”

إحدى طرق إعطاء الكائنات الحية دفعة من الطاقة دون استخدام الأكسجين هي من خلال الضوء. لكن القدرة على تحويل الضوء إلى طاقة قابلة للاستخدام يمكن أن تكون معقدة من وجهة نظر تطورية. على سبيل المثال، تتضمن الآلية الجزيئية التي تسمح للنباتات باستخدام الضوء للحصول على الطاقة مجموعة من الجينات والبروتينات التي يصعب تصنيعها ونقلها إلى كائنات حية أخرى، سواء في المختبر أو بشكل طبيعي من خلال التطور. ولحسن الحظ، فإن النباتات ليست الكائنات الحية الوحيدة التي يمكنها تحويل الضوء إلى طاقة.

ابقائها بسيطة

الطريقة الأسهل للكائنات الحية لاستخدام الضوء هي الرودوبسين: بروتينات يمكنها تحويل الضوء إلى طاقة دون الحاجة إلى آلات خلوية إضافية.

يقول أوتوم بيترسون، دكتوراه في علم الأحياء والمؤلف الرئيسي للدراسة ويعمل مع البروفيسور المشارك ويليام راتكليف: “تم العثور على الرودوبسين في جميع أنحاء شجرة الحياة، ويبدو أنه تم اكتسابه عن طريق الكائنات الحية التي تحصل على جينات من بعضها البعض عبر الزمن التطوري”.

يسمى هذا النوع من التبادل الجيني نقل الجينات الأفقي ويتضمن مشاركة المعلومات الجينية بين الكائنات الحية التي لا ترتبط ارتباطًا وثيقًا. ويمكن أن يؤدي نقل الجينات الأفقي إلى قفزات تطورية كبيرة على ما يبدو في وقت قصير، مثل قدرة البكتيريا على تطوير مقاومة لبعض المضادات الحيوية بسرعة. كما يمكن أن يحدث هذا مع جميع أنواع المعلومات الوراثية وهو شائع بشكل خاص مع بروتينات رودوبسين.

ويضيف: “في عملية اكتشاف طريقة لإدخال الرودوبسين في خميرة متعددة الخلايا، وجدنا أنه يمكننا التعرف على النقل الأفقي للرودوبسين الذي حدث عبر التطور في الماضي عن طريق نقله إلى خميرة عادية وحيدة الخلية. الخميرة حيث لم تكن من قبل.”

لمعرفة ما إذا كان بإمكانهم تجهيز كائن وحيد الخلية بالرودوبسين الذي يعمل بالطاقة الشمسية، أضاف الباحثون جين رودوبسين تم تصنيعه من فطر طفيلي إلى خميرة الخباز الشائعة. يتم ترميز هذا الجين المحدد لشكل من أشكال الرودوبسين الذي سيتم إدخاله في فجوة الخلية، وهو جزء من الخلية يمكنه، مثل الميتوكوندريا، تحويل التدرجات الكيميائية التي تصنعها بروتينات مثل الرودوبسين إلى طاقة، ونمت الخميرة بشكل أسرع بنسبة 2٪ تقريبًا، وهي فائدة كبيرة من حيث التطور.

يقول بورنيتي: “لدينا هنا جين واحد، ونقوم فقط بسحبه عبر السياقات إلى سلالة لم تكن ضوئية من قبل، وهي تعمل فقط”.. “هذا يشير إلى أنه من السهل حقًا على هذا النوع من النظام، على الأقل في بعض الأحيان، القيام بعمله في كائن حي جديد.”

يوضح بيترسون: “توفر هذه البساطة رؤى تطورية رئيسية وتقول الكثير عن السهولة التي تمكن بها رودوبسين من الانتشار عبر العديد من الأنساب ولماذا قد يكون الأمر كذلك.

تحسين إنتاج الوقود الحيوي ودراسة الشيخوخة الخلوية والتطور

نظرًا لأن الوظيفة الفراغية قد تساهم في شيخوخة الخلايا، فقد بدأت المجموعة أيضًا في التعاون لدراسة كيف يمكن للرودوبسين أن يكون قادرًا على تقليل آثار الشيخوخة في الخميرة. وقد بدأ باحثون آخرون بالفعل في استخدام خميرة جديدة مماثلة تعمل بالطاقة الشمسية لدراسة الإنتاج الحيوي المتقدم، والذي يمكن أن يمثل تحسينات كبيرة لأشياء مثل تصنيع الوقود الحيوي.

ومع ذلك، فإن راتكليف وفريقه حريصون في الغالب على استكشاف كيف يمكن لهذه الفائدة الإضافية أن تؤثر على رحلة الخميرة وحيدة الخلية إلى كائن متعدد الخلايا.

يقول بورنيتي: “لدينا هذا النظام النموذجي الجميل متعدد الخلايا البسيط”.. “نريد أن نمنحها التغذية الضوئية ونرى كيف تغير تطورها. ”

وبتعديل سلالة من الخميرة أصبحت قادرة على إنتاج رودوبسين، وهو بروتين يسمح للكائنات الحية مثل الطحالب والبكتيريا بالتقاط طاقة الضوء، وتمكنت خلايا الخميرة المعدلة من النمو والتكاثر باستخدام الضوء كمصدر وحيد للطاقة.

وأظهرت الخميرة المعدلة قدرة على النمو بمعدل أعلى بنسبة 2% تحت الإضاءة مقارنة بالظلام. ويُعد هذا الاكتشاف إنجازًا رئيسيًا في فهمنا للخميرة، وتوفر هذه التقنية فرصا هامة لفهم آليات انتقال الجينات بين الكائنات وعملية التطور، كما تساعد على تحسين إنتاج الوقود الحيوي ودراسة الشيخوخة الخلوية، وفهمنا للتطور.