التحقيق في الجماعة الميكروبية في المعى المؤخر النمل الأبيض -- مقابلة

تُعد النمل الأبيض وميكروبات أمعائه مثالاً على تكافل تبادلي رائع ومعقد للغاية. لذا، فإنني مهتم بدراسة النمل الأبيض وهذه الميكروبات لفهم جميع الأدوار المختلفة التي تلعبها المكونات المتنوعة أثناء تحلل مصدر غذائي معقد للغاية وهو اللينوسليلوز إلى نواتج يمكن لكل من الحشرة والميكروبات الاستفادة منها. أنا جاريد ليدبيتر.

أنا أستاذ مشارك في علم الأحياء الدقيقة البيئي في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، وأشارك في برنامج علوم الهندسة البيئية. أعمل في كالتيك منذ ست سنوات ونصف، ولكن على مدار السنوات السبع عشرة الماضية، تركزت اهتماماتي البحثية الأساسية في دراسة المجتمعات الميكروبية التي تستوطن الأمعاء الخلفية لأنواع مختلفة من النمل الأبيض. ومنذ أن تعرفت لأول مرة على علم الأحياء الدقيقة لأمعاء النمل الأبيض كطالب في الدورة الصيفية حول التنوع الميكروبي، والتي تُدرس في وودز هول، ماساتشوستس، وأنا مهتم للغاية بتحديد هوية ووظيفة مختلف الأنواع الميكروبية التي تعيش في الأمعاء الخلفية للنمل الأبيض.

تتكون مجتمعات المعى الخلفي للنمل الأبيض من حوالي 250 نوعاً ميكروبياً فريداً، تمثل جميع نطاقات الحياة الثلاثة. يمكنك تحديد Archaea الميتاجينومية، والسيليلوز اللاهوائي، والأوالي المحللة، وهي حقيقيات نوى وحيدة الخلية، وتنوع واسع من البكتيريا بما في ذلك العديد من الأنواع الجديدة من مجموعة بكتيرية تسمى spirochetes. وعلى الرغم من وجود حوالي 250 نوعاً مختلفاً تعيش في النمل الأبيض ولا توجد في أي مكان آخر في الطبيعة، إلا أنه حتى بعد حوالي مائة عام من الدراسة، لا يزال فهمنا ضعيفاً جداً لوظيفة كل هذه الميكروبات المختلفة فيما يعد تكافلاً تبادلياً رائعاً يحدث بين الحشرة المضيفة والمجتمع الميكروبي، والذين يعملون معاً على تفكيك cellulose إلى منتجات تغذي بشكل أساسي عملية التمثيل الغذائي لكل من الحشرة المضيفة وهذه الميكروبات المختلفة.

لذا، على مدار الـ 16 أو 17 سنة الماضية، كنت مهتمًا جدًا بتحديد ماهية هذه الأنواع وما الذي تفعله؟ وكيف تتفاعل هذه الأنواع مع بعضها البعض في المعي الخلفي، وما هي فائدتها للمضيف؟ لذا، تُعد النمل الأبيض وميكروبات أمعائها مثالًا على تكافل تبادلي رائع ومعقد للغاية.

لذا، أنا مهتم بدراسة النمل الأبيض والميكروبات الموجودة فيه لفهم كافة الأدوار المختلفة التي تؤديها المكونات المتنوعة أثناء تحليل مصدر غذائي معقد للغاية وهو lignocellulose إلى نواتج يمكن لكل من الحشرة والميكروبات الاستفادة منها. وهناك سبب آخر لدراسة النمل الأبيض وميكروبات أمعائه وهو أن النمل الأبيض يمثل عالمياً مجموعة مهمة جداً من الحيوانات التي تؤدي أدواراً حاسمة وهامة في دورات الكربون والنيتروجين العالمية؛ ففي المناطق المدارية وشبه المدارية، يتسم النمل الأبيض بتنوع شديد، بمعنى أن هناك العديد من أنواع النمل الأبيض المختلفة وهي وفيرة للغاية.

وكمثال على مدى نجاح هذه الحشرات، فهي تشكل مصادر صغيرة ولكنها مهمة لـ CO2 والميثان على مستوى العالم. وبفضل كمية الخشب التي قامت بتحويلها إلى هذه النواتج، تساهم النمل الأبيض بنحو 2% من CO2 العالمي ونحو 4% من الميثان العالمي، وهي نسبة كبيرة جداً بالنسبة لأي مجموعة واحدة من الحيوانات. لذا، فإن دراسة الميكروبات وأنشطتها داخل هذه الحشرات تمنحنا فهماً أفضل لهذه الحشرات وأسس نجاحها على نطاق عالمي.

تعد دراسة النمل الأبيض وميكروبات أمعائه مثيرة للاهتمام أيضاً من منظور المقياس وقابلية التكرار. وأنا أدرس النمل الأبيض وميكروبات أمعائه على بعض المستويات لأن هذه البيئة معقدة للغاية ومثيرة جداً. إلا أن بيئة المعي الخلفي، أي هذا النظام البيئي في المعي الخلفي، تختلف كثيراً عن العديد من البيئات الأخرى.

تعتبر المعي الخلفي للنمل الأبيض صغيرًا جدًا، حيث يبلغ حجمه حوالي 1 µL، وهو محدد بدقة كونه مبطنًا بظهارة المعي أو بجسم الحشرة نفسها. ولكن يمكننا تحديد حدود تلك البيئة بشكل ملموس للغاية. ونظرًا لصغر هذه البيئة، يمكننا جمع مجموعة من النمل الأبيض تضم 200 نملة، وبذلك نحصل في المتوسط على هذه البيئة ذاتها مكررة مرارًا وتكرارًا.

إذا قارنت بيئة أمعاء النمل الأبيض، على سبيل المثال، ببحر سارجاسو، ستجد أن بحر سارجاسو شاسع وهائل، حيث يبلغ عرضه ألف ميل. وحدوده محددة، ولكن ربما من الناحية التشغيلية فقط.

لا توجد حدود واضحة لبحر سارغاسو، وهو البحر الوحيد من نوعه. لذا، يمكننا تعلم الكثير عن العلوم البحرية من خلال دراسة بحر سارغاسو، ومن المهم جداً دراسته. ولكن هناك بعض التعقيدات، حيث يجب أن تكون قادراً على استقلال قارب للوصول إلى هناك.

إذا توصلت إلى اكتشاف يتعلق ببعض الميكروبات هناك، فقد لا تعرف موقع تلك الميكروبات في أي لحظة زمنية محددة، وقد تختلف مواقعها بمسافة عدة أميال، وبالطبع لا يوجد سوى بحر سارغاسو واحد. لذا، يصعب دراسة بحر سارغاسو وإحداث اضطراب فيه بطريقة ما مع وجود بحر سارغاسو ضابط للمقارنة به. لذا، من خلال دراسة الميكروبات في أمعائها، نملك في الواقع نموذجاً لبيئة قابلة للتطبيق باستخدام التقنيات المختبرية.

يمكننا إعادة إنتاج هذه البيئة، ويمكننا إحداث اضطراب فيها ومقارنتها بمجموعات ضابطة. ونحن نعرف دائماً بدقة تصل إلى حوالي مليمتر واحد أين تتفاعل كل هذه المجموعات والميكروبات والأنواع الميكروبية المختلفة، فهي تتفاعل في بيئة معوية تبلغ سعتها ميكرولتر واحد. لذا، نحرص في مختبري على دراسة هذا المجتمع الميكروبي باستخدام أي تقنية متاحة قد تساعدنا في الكشف عن أسرار هذا المجتمع.

بالتأكيد، كان أحد جوانب هذا الأمر هو محاولة استزراع الأنواع التي تستوطن ذلك المجتمع الميكروبي. إن استزراع 250 نوعاً في المختبر خارج الجسم الحي (In vitro) عملية معقدة للغاية، وهناك وضوح لا يضاهى في تفسير الأبحاث إذا كان بإمكانك دراسة مزرعة نقية من بكتيريا معينة. لقد ركزت بعض جهودنا على الدخول في مجتمع الأمعاء هذا ومحاولة استزراع ونمو أنواع فردية من ذلك المجتمع، ثم دراسة الفسيولوجيا والوراثة وعلم الجينوم لتلك الأنواع بالتفصيل، ومن ثم محاولة استنباط ما نعتقد أنه يعنيه ذلك بخصوص وظيفة ذلك النوع داخل ذلك المجتمع.

ومن الأمثلة على ذلك دراستنا لأمعاء النمل الأبيض. حيث تعد spirochetes كائنات حلزونية الشكل، وتوجد بكثرة في جميع أنواع النمل الأبيض تقريبًا. يوجد في النمل الأبيض spirochetes، وهي في الواقع وثيقة الصلة بالعامل المسبب لمرض الزهري، ولكن في جميع أنواع النمل الأبيض السليمة، نلاحظ وجود هذه الـ spirochetes.

وهكذا، وعلى مدى سنوات طويلة جدًا، كنا نعلم أن هذه السبيروكيتات (spirochetes) ربما تكون تعايشية وتقوم بشيء إيجابي للمضيف، لكننا لم نكن نعرف ماهية ذلك. ومنذ حوالي 10 سنوات، نجحت في استزراع بعض هذه السبيروكيتات في المختبر (in vitro)، وبات بإمكاننا الآن دراسة تلك السبيروكيتات، وقد تعلمنا الكثير عن فسيولوجيتها وما من المرجح أن تقوم به تلك السبيروكيتات في البيئة. وقبل تلك الفترة الزمنية، لم يكن لدينا أي تصور عما كانت تفعله هذه السبيروكيتات في بيئتها.

وهكذا، تمكنا من تحقيق العديد من الاكتشافات بفضل المزارع النقية من خلال دراسة هذه المزارع. كما نستخدم طرقاً قائمة على الجينات لدراسة هذا المجتمع الميكروبي؛ فقد يكون هناك نوع معين من الجينات يمثل وظيفة فسيولوجية محددة، وبإمكاننا الدخول إلى هذا المجتمع والبدء في التساؤل عن عدد المتغيرات الموجودة من هذا الجين، ومن هي الكائنات الحية التي تشفر هذه الجينات الرئيسية؟

وبذلك يمكننا البدء في تحليل ما يحدث وظيفياً في هذه المعي الخلفية من خلال دراسة تنوع الجينات المشاركة في استقلاب النيتروجين والجوانب الرئيسية لاستقلاب الكربون، كما يمكننا استخدام آليات قائمة على الجينات أو مناهج قائمة على الجينات لتقييم تنوع الكائنات الحية في النمل الأبيض. يمكننا استخدام جينات RNA الريبوسومية كجينات علامة أو كرموز شريطية (barcodes) لتقييم عدد الأنواع الموجودة في هذا المجتمع بدقة، وربما تحديد مدى وفرتها، وكيف تعكس مزارعنا النقية هذا التنوع فعلياً. لذا، نستخدم عدداً من التقنيات القائمة على الجينات في مختبري.

لقد انخرطنا أيضاً في دراسات الميتاجينوميات، حيث نهتم بدراسة محتوى الجينوم الكامل لهذا النظام البيئي الميكروبي لمحاولة تكوين تصور حول جميع عمليات الأيض المختلفة التي تحدث في هذا المجتمع. لذا، نقوم في مختبري بدراسة المزارع النقية، ونستخدم تقنيات قائمة على الجينات مدعومة بتفاعل البوليميراز المتسلسل PCR، ونستخدم الميتاجينوميات، كما نبحث في الأنشطة، وتحديداً الأنشطة الإنزيمية الموجودة في هذه الأمعاء.

كما نستخدم المجهر لمحاولة معرفة أماكن تواجد الكائنات الحية في الأمعاء وما هي الخلايا الأخرى التي تتفاعل معها. وبشكل عام، ما نرغب في تحقيقه هو فهم عدد الأنواع الموجودة في الأمعاء الخلفية، وماذا تفعل جميعها، وكيف تتفاعل جميعها مع بعضها البعض؟ هناك عدد من التحديات التي تواجه دراسة المجتمعات الميكروبية والتي تختلف عن المجتمعات الأخرى في الطبيعة.

كما تعلمون، من السهل نسبيًا القيام بنزهة في الغابات أو في السافانا وملاحظة الأنواع المختلفة من النباتات والحيوانات التي تصادفوها أثناء سيركم. وبالتأكيد، فقد تم تطوير العديد من الطرق والأساليب في علم بيئة المجتمعات على مدار المائة عام الماضية للبدء في طرح أسئلة حول عدد أنواع النباتات والحيوانات الموجودة في مجتمع معين، وبأي تردد تصادفوها في ذلك المجتمع. ومن ثم ملاحظة بعض هذه الكائنات في مجتمعاتها بمرور الوقت، ومعرفة نوع التكيفات التي تمتلكها لمواجهة الديناميكيات البيئية والعوامل البيئية الضارة التي تواجهها.

كما تعلم، يمكنك مشاهدة فيل أو أسد في السافانا وملاحظة بعض سلوكياتهم في تكيفاتهم وكيفية حصولهم على طاقتهم وغذائهم وكيفية تفاعلهم مع بعضهم البعض. كل هذه الأمور سهلة الملاحظة إلى حد ما عندما تدرس الميكروبات، وهي الكائنات التي يمكنك رؤيتها بعينك. كما أنه من السهل نسبيًا التمييز ما إذا كنت تتعامل مع نبات أو حيوان.

أنا لا أعني ذلك من حيث الأنواع، بل من حيث ما تقوم به. يمكنك النظر إلى كائن حي والقول بيقين تقريباً أن هذا كائن ذات تغذية ضوئية، أي أنه كائن يمتص الإشعاع الشمسي ويحول تلك الطاقة إلى شيء مفيد. أو قد أنظر إلى حيوان وسيط، وهذا الحيوان يستخدم البروتين بشكل أساسي كمصدر للطاقة.

هناك عدد من الملاحظات التي يمكنك تدوينها أثناء تجولك في مجتمع مدينة هافانا أو في مجتمع غابة ما. ولكن من الأصعب بكثير إجراء مثل هذه الملاحظات واستخلاص النتائج عند دراسة المجتمعات الميكروبية؛ فالمنافسات تكون صغيرة جداً، وحتى مع استخدام مجهر جيد للغاية، لا يكون من الواضح دائماً كيف تختلف الكائنات الحية المختلفة عن بعضها البعض.

أي أنه إذا نظرت إلى مجتمع ميكروبي في حد ذاته، فقد يكون من الصعب جداً تحديد عدد الأنواع الموجودة وتوزيعاتها النسبية. كما قد يكون من الصعب جداً فحص ذلك المجتمع الميكروبي باستخدام المجهر والإجابة على سؤال: ماذا تفعل هذه الكائنات؟ لذا فإن التحدي الرئيسي في المجتمعات الميكروبية يكمن في التحقق من هوية الكائنات الموجودة وطبيعة نشاطها.

وبناءً على ذلك، يتعين علينا استخدام تقنيات مختلفة في دراسة المجتمعات الميكروبية لاستخلاص معلومات من ذلك المجتمع حول الكائنات الموجودة، ومن منها النشط، وماذا تفعل هذه الكائنات، وكيف تستجيب وما هي تكيفاتها مع التغيرات في بيئتها. ومنذ أن بدأ اهتمامي بدراسة المجتمعات الميكروبية في أمعاء النمل الأبيض منذ 17 عاماً، تحديداً قرابة عام 1990، حدث عدد من التطورات التكنولوجية في مجالي بشكل عام، والتي مكنتني ومكنت الآخرين من معرفة المزيد عن المجتمعات الميكروبية، وبالنسبة لي تحديداً، مجتمعات أمعاء النمل الأبيض. وتعتمد هذه التطورات في جزء كبير منها على تقنيات قائمة على الجينات.

عندما بدأت دراسة النمل الأبيض لأول مرة، كان بإمكانك استخدام المجهر لفحص مجتمع ميكروبي مثل النمل الأبيض، وتقييم الأشكال المختلفة الموجودة في ذلك المجتمع للحصول على تقدير تقريبي لعدد الأنواع المختلفة الموجودة فيه ربما. ولكن على مدار الأعوام الـ 15 أو 17 الماضية، توفرت العديد من التقنيات المعتمدة على الجينات والعديد من تقنيات علم الجينوم، لدرجة أن قدرتنا على استخلاص المعلومات من المجتمعات الميكروبية، مثل الأمعاء الخلفية للنمل الأبيض، قد تغيرت بسرعة كبيرة. والآن أصبح بإمكاننا استخدام الجينات كعلامات تشبه "الباركود" لتحديد الكائنات الحية والبيئات المختلفة.

يمكننا دراسة مجتمع ميكروبي مثل المعي الخلفي للنمل الأبيض وتحديد عدد الأنواع المختلفة الموجودة باستخدام جينات معينة كمؤشرات على هذا التنوع. ويمكننا استخدام هذا الجين كرمز شريطي (barcode) لتتبع ما إذا كانت تلك الكائنات موجودة في المزرعة أم لا، أو لاستخدام هذا الرمز لتتبع التقلبات في وفرة الأنواع المختلفة في ذلك المجتمع. وباستخدام تقنيات أخرى تعتمد على الجينات، يمكننا التساؤل عما إذا كانت الجينات التي تشفر الإنزيمات لهذا الغرض المحدد موجودة في هذا المجتمع.

وكم عدد الاختلافات، أي كم عدد أنواع الكائنات الحية التي تقوم بتحفيز ذلك، وهل نمتلك تلك الكائنات في المزارع المختبرية؟ لقد ظهر عدد من النهج المعتمدة على الجينات وتفاعل البوليميراز المتسلسل PCR لدراسة المجتمعات الميكروبية، والتي غيّرت جذرياً طريقة فهمنا لهذه المجتمعات. وقد تجلت هذه التغييرات جميعاً على مدى السنوات العشرين الماضية.

تعد دراسة النمل الأبيض وميكروبات أمعائه أمراً مثيراً للاهتمام، سواء على مستوى الأبحاث الأساسية أو الأكاديمية، وكذلك على مستوى التكنولوجيا الحيوية والأبحاث التطبيقية. يتغذى النمل الأبيض على الخشب ويعمل على تحليله. وبالنسبة لي، من المهم جداً محاولة فهم الآليات التي يهاجم بها النمل الأبيض وميكروبات أمعائه الخشب، والذي يعد في الواقع أول مادة مركبة في الطبيعة.

إنها مادة مركبة ثلاثية الطبقات، وهي مادة متينة للغاية. وإن فهم كيفية قيام هذه الحشرة وميكروبات أمعائها بإزالة مجموعة الأمين من هذه المادة المركبة، ثم تفكيك جميع مكوناتها إلى نواتج يمكن استخدامها كوقود من قبل الحشرة وهذه الميكروبات على حد سواء، هو أمر مثير جداً للاهتمام بالنسبة لي، كما أن له أهمية جوهرية في مجال التكنولوجيا الحيوية والصناعة.

كمجتمع، نحن لا نفهم الأمر بشكل كامل حقاً. في الواقع، لا نفهم الكثير على الإطلاق حول كيفية تحلل الخشب إلى أي شيء. وهناك اهتمام كبير هذه الأيام بالوصول إلى فهم أفضل لكيفية تحلل اللجنوسليلوز النباتي، مثل قشور الأرز وكوالح الذرة وبقايا قصب السكر بعد عصر السكر منها.

هناك اهتمام كبير بفهم كيفية تحويل السلع السليلوزية اللجنينية منخفضة القيمة إلى شيء ذو قيمة أعلى، مثل الإيثانول أو الهيدروجين أو الميثان أو أي منتج آخر. والواقع أن الأمر المهم للتفكير فيه هو أن النمل الأبيض يقوم بتفكيك الخشب السليلوزي اللجنيني طوال الوقت ويحوله إلى وقوده الحيوي الخاص، وصناعياً، هناك اهتمام كبير بفهم ماهية الإنزيمات المشاركة في تلك الهجمات الأولية على الخشب.

وربما يتمكن المرء حينها من أخذ تلك الإنزيمات وربطها بعمليات أخرى لاحقة لابتكار عملية جديدة تختلف عما هو متبع حاليًا في الصناعة وعما يحدث في الطبيعة، بحيث تستخلص أفضل الميزات لابتكار شيء جديد يقوم بتحويل الخشب إلى منتج ذي قيمة. سواء كان ذلك الإيثانول أو الهيدروجين أو الميثان أو أي شيء آخر؛ فاهتمامي الأساسي في مختبري ينصب على تحقيق فهم جوهري لهذا المجتمع الميكروبي، وتفاعله مع المضيف، والدور الذي يلعبه المضيف في المجتمع الميكروبي في تحلل اللجنوcellulose.

ولكن هناك اهتمام كبير بمحاولة الاستفادة من بعض هذه المعلومات وتوظيفها في تطوير عمليات صناعية مبتكرة. وأعتقد أنه كان هناك الكثير من النقاش حول الوقود الحيوي خلال العامين الماضيين، وهو ما لفت الانتباه ربما إلى الحاجة، بل وحتى إلى الواعدة التي يوفرها البحث في مجال الوقود الحيوي. ومع ذلك، يجب أن أكون صادقاً، فأنا لا أعتقد أن مستوى مبادرات التمويل يتناسب مع حجم الاهتمام الذي حظي به هذا المجال.

لا يوجد مشروع "مانهاتن" للوقود الحيوي؛ إذ لم يكن هناك أي استثمار دراماتيكي واسع النطاق في الأبحاث الأساسية التي تتعلق بأبحاث الوقود الحيوي. ونظراً لأن فهمنا الجوهري لتحلل السليلوز ضعيف للغاية في هذه المرحلة، أعتقد أنه إذا كان لدينا مبادرة للوقود الحيوي، فيجب أن تتضمن استثماراً مركزاً على جميع المستويات، بدءاً من الأبحاث الأكاديمية الأساسية وصولاً إلى القطاع الصناعي لجعل ذلك ممكناً.

وإذا أراد الناس أن يتحقق ذلك في غضون عامين أو خمسة أو عشرة أعوام، فسيتعين علينا أيضاً استثمار الأموال بحيث يستثمر الأشخاص وقتهم وجهودهم لتحقيق ذلك. فعلى مدى العشرين عاماً الماضية، تطورت قدرتنا على استخدام التقنيات القائمة على الجينات لدراسة المجتمعات الميكروبية بسرعة كبيرة. وأعتقد أن بإمكاننا جميعاً أن نحلم قليلاً بما يمكن أن يحدث خلال السنوات الخمس إلى العشر القادمة، وأرى أن هناك فرصة كبيرة جداً لأن تكون لدينا القدرة، في غضون 10 أعوام، على معرفة وتسلسل وتحليل الجينوم الكامل لكل نوع من الأنواع.

يوجد في المعي الخلفي للنمل الأبيض 250 نوعاً على الأقل، وأعتقد أنه ستكون هناك فرصة لإنشاء ما يشبه خزانة ملفات من المعلومات حيث نعرف محتوى الجينوم لكل نوع من تلك الأنواع. وسيكون ذلك اكتشافاً مذهلاً لأننا منذ 10 سنوات فقط بدأنا في تسلسل جينومات الكائنات الدقيقة المفهومة جيداً للمرة الأولى. وأعتقد أننا في غضون 10 سنوات أخرى، سنتمكن من الدخول في مجتمعات ميكروبية معقدة والحصول على معلومات جينومية عن كائنات لم يسبق لنا أبداً دراستها بأي تفصيل، وسنكون قادرين على استخدام ذلك لتعزيز الدراسات حول هذه الكائنات للمرة الأولى.