دراسات لاستخدام الانجذاب الكيميائي الجرثومي على microfluidics -- مقابلة

اسمي رومان ستوكر. أنا أستاذ مساعد في السنة الثانية في مختبر رالف بارسونز، وهو جزء من قسم الهندسة المدنية والبيئية هنا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT). أنا من إيطاليا في الأصل ودرست ميكانيكا الموائع.

لذلك، تتركز خلفيتي العلمية بشكل أكبر في العلوم الفيزيائية، ولكن خلال العامين الماضيين، بل ثلاثة أعوام في الواقع، انتقلتُ أكثر نحو المواضيع البيئية والبيولوجية. قبل عامين، بدأتُ في تطوير أنظمة الموائع الدقيقة (microfluidics) لبحث مشكلات في الإيكولوجيا الميكروبية، وباستخدام هذه الأجهزة الدقيقة، تمكنا من تطوير أسئلة إيكولوجية نموذجية للأشياء التي تكون بمقاييس الميكرونات. يركز عملنا بشكل أساسي على الكائنات الحية التي يمكنها السباحة في المحيط وتتبع مصادر غذائها.

وعلى وجه الخصوص، طوّرت البكتيريا طرقاً ذكية للغاية في السباحة، ولدي هنا عرض توضيحي بسيط. رأس البكتيريا عبارة عن شكل بيضوي تقريباً، وتخيل أن حجمه يبلغ حوالي 2 microns.

توجد سوط واحد أو أكثر في الجزء الخلفي من البكتيريا. هذه الأسواط عبارة عن تراكيب حلزونية، تستطيع البكتيريا تدويرها. وينتج عن هذا الدوران دفع يسمح للبكتيريا بالسباحة فعلياً إلى الأمام.

هناك أنماط مختلفة تقوم من خلالها البكتيريا بذلك بالفعل، وهناك استراتيجيات متنوعة للسباحة، وهذا جزء مما يهتم به بحثنا. والسبب في سباحة البكتيريا في المحيط هو التمكن من استغلال مصادر المغذيات بشكل أفضل، وهذا جزء من تحول جذري في المفاهيم حدث على مدار الـ 15 أو 20 سنة الماضية. فقبل ذلك، كان الناس يعتقدون أن المحيط عبارة عن حساء متجانس من المغذيات على مقاييس تتراوح من أمتار وصولاً إلى عشرات الأمتار، وفي هذا التصور للمحيط، كان يُدرس أن هذه الكائنات الصغيرة مثل البكتيريا لا تلعب دوراً جوهرياً، وأنها كانت مجرد جزيئات تُنقل بسلبية عبر التيارات المحيطية.

ولكن قبل 10 أو 15 عاماً، أدرك العلماء أن هذا لا يعكس حقيقة ما يحدث في المحيط، وأن هذه الكائنات صغيرة الحجم هي في الواقع من أهم العناصر التي تحدد صحة المحيطات، وبالتالي تؤثر حتى على أمور مثل المناخ العالمي. ويرجع ذلك إلى سببين؛ الأول هو أنها تنتشر في كل مكان في المحيط، كما أن كتلتها الحيوية التراكمية تتجاوز بمراحل الكتلة الحيوية لجميع الكائنات البحرية الأخرى.

أما السبب الثاني، وربما الأكثر جوهرية، هو أن هذه الكائنات الدقيقة، من خلال استهلاكها لمصادر المغذيات وبشكل خاص الكربون، يمكنها إعادة تدوير هذه المغذيات لمكونات أخرى في الشبكة الغذائية، وبالتالي تكثيف جوانب وأجزاء أخرى من السلسلة الغذائية في المحيط بشكل كبير. وفي خضم كل ذلك، يركز عملنا بشكل أساسي على التفاعل بين الكائنات السابحة وبقع المغذيات. فالبكتيريا ليست قادرة على السباحة فحسب، بل هي قادرة أيضاً على استشعار وكشف تدرجات المغذيات.

أي أنهم قادرون على معرفة متى تتحسن ظروف الحياة والسباحة صعوداً مع تدرجات العناصر الغذائية. ويقومون بذلك من خلال عملية تُعرف باسم chemotaxis. وبشكل أدق، فإن الـ chemotaxis هي القدرة على استشعار التدرج الكيميائي والسباحة باتجاهه.

هذا هو بالضبط ما ندرسه في المختبر، وتعد الموائع الدقيقة أداة تتيح لنا استقصاء قدرات البكتيريا على السباحة والانجذاب الكيميائي، ومن ثم استقراء وتوسيع نطاق دورها لتحديد مدى أهميتها في تحديد صحة المحيط. خلال العام والنصف الماضيين، قمنا بإعداد أجهزة دقيقة تتيح لنا تعريض البكتيريا لأنواع مختلفة من الظروف التي توجد عادة في المحيط؛ كما ذكرت سابقًا، بقع المغذيات النموذجية، وأيضًا الاضطرابات على سبيل المثال.

ما وجدناه حتى الآن هو أن البكتيريا البحرية يبدو أنها قد تكيفت بكفاءة عالية لاستغلال هذه البقع المغذية، وباتت قادرة على مواجهة مجموعة متنوعة من ظروف الاضطراب في المحيط من خلال السباحة، مما يجعلها مهيأة تماماً للبقاء على قيد الحياة في المحيط، والذي يعتبر عادةً صحراء من المغذيات من وجهة نظرها، حيث لا تتوفر المغذيات إلا في بقع مبعثرة ونادرة جداً ضمن عمود مائي ثلاثي الأبعاد؛ وفي الوقت ذاته، تملك القدرة على السباحة ومقاومة الاضطرابات، وبالتالي تظل قادرة على تتبع مصادر غذائها المغذية حتى عندما تتحرك المياه من حولها بعنف. وتعد مبادرة نظام الأرض مبادرة مثيرة للاهتمام للغاية، حيث تجمع مجموعة متنوعة من الأشخاص من تخصصات مختلفة، يهتم جميعهم بفهم كيفية عمل كوكبنا بشكل أفضل. وباختصار، تهدف مبادرة نظام الأرض إلى محاولة القيام للكوكب بنفس الشيء الذي نقوم به بالفعل ونقوم به منذ فترة طويلة.

بالنسبة لجسم الإنسان الذي يسعى لفهم صحته، فإن فهم صحة الكوكب في هذه الأيام يكتسب أهمية خاصة بسبب المخاوف المتعلقة بالاحتباس الحراري، على سبيل المثال، والغازات الدفيئة، وتتوجه العديد من الجهود ضمن مبادرة نظام الأرض نحو فهم صحة الكوكب بشكل أفضل. ويندرج عملنا ضمن هذا السياق من خلال دراسة أحد مكونات دورة الكربون في المحيط. ونحاول بشكل خاص فهم كيف يمكن للكائنات الصغيرة، كما ذكرت سابقاً، وتحديداً البكتيريا السابحة، أن تؤثر على هذه الدورات واسعة النطاق، وهو ما يترك آثاراً على دورة الكربون العالمية في المحيط، وبالتالي على دورة الكربون العالمية في جميع أنحاء العالم، بما في ذلك الغلاف الجوي.

لقد كان كل عملنا حتى الآن في هذا المجال متاحاً بل ومحفزاً بفضل تقدم تكنولوجي رئيسي واحد، وهو الموائع الدقيقة (microfluidics). ففي السنوات العشر الماضية، تطورت تقنية الموائع الدقيقة لتصبح أداة مثيرة للاهتمام حقاً، لا سيما في منطقة بوسطن وكامبريدج. ويُعد البروفيسور George Whitesides من جامعة هارفارد هو مؤسس تقنية الموائع الدقيقة بشكلها الحالي، حيث قدم عملية الليثوغرافيا الرخوة واستخدام PDMS لتصنيع الأجهزة الدقيقة.

منذ ذلك الحين، نما تطبيق الموائع الدقيقة بشكل متسارع في مجموعة واسعة من المجالات. فمن الهندسة الكيميائية إلى العلوم الصحية، بدأنا في تطبيقها على الإيكولوجيا الميكروبية ولمعالجة بعض هذه المشكلات ذات المقاييس الصغيرة في المحيط فيما يتعلق بسباحة الكائنات الدقيقة. وباختصار، من الصعب، إن لم يكن من المستحيل، دراسة هذه العمليات مباشرة في المحيط بسبب مقاييسها الصغيرة وبسبب التباين الذي يتسم به المحيط بالضرورة؛ فنحن لا نزال غير قادرين على رؤية البكتيريا، التي يبلغ حجمها حوالي ميكرون واحد، مباشرة في الموقع في المحيط، وفي الوقت ذاته، حاول الباحثون نمذجة هذه العمليات، عددياً أو نظرياً على سبيل المثال، ولكن نظراً لأن هذا المجال هو علم الأحياء، فإنك تضطر بالضرورة إلى الاعتماد على الافتراضات.

على سبيل المثال، سيتعين عليك وضع افتراضات حول استراتيجية السباحة لدى البكتيريا أو استراتيجية الانجذاب الكيميائي للبكتيريا، ولذلك تبرز الحاجة إلى إجراء تجارب حقيقية لإحراز تقدم في هذا المجال. تتيح لنا الموائع الدقيقة نقل مناطق صغيرة، أي أجزاء صغيرة من المحيط، إلى المختبر، وفي الوقت ذاته تعريض البكتيريا والكائنات الدقيقة لظروف بيئية واقعية، سواء من حيث المغذيات أو التدفقات. وفي الوقت نفسه، ومن خلال استخدام المجهر الفيديو وتتبع الخلايا، يمكننا دراسة سلوك البكتيريا الفردية بطريقة محكومة بدقة تتيح لنا إحراز تقدم في هذه التساؤلات على نحو لم يكن ممكناً قبل نحو 10 سنوات، وكل ذلك يعود إلى التقدم التكنولوجي، وتحديداً في مجال الموائع الدقيقة.

هناك تحديان رئيسيان أرى أنهما يواجهاننا في هذا المجال. يتمثل التحدي الأول، كما ذكرت سابقاً، في القدرة في مرحلة ما على نقل هذه التساؤلات إلى المحيط. والسبب في ضرورة الذهاب إلى المحيط في نهاية المطاف هو رصد كافة المتغيرات المتأصلة في هذه العمليات.

على سبيل المثال، لا نزال نجهل ماهية المواد التي تتسرب فعلياً من الجسيمات المترسبة، ونوع العناصر الغذائية الموجودة، ونوع المركبات الكيميائية التي تنجذب إليها البكتيريا كيميائياً في المختبر. يمكننا فقط دراسة أبسط هذه الظروف، ولكن ما يحدث فعلياً في المحيط هو مجموعة من العمليات المعقدة والمتغيرة للغاية والتي نحتاج في النهاية إلى استكشافها بشكل مباشر في الموقع. ويمثل هذا تحدياً كبيراً من منظور أخذ العينات، ومن منظور التصوير، ومن منظور إجراء التحاليل الكيميائية والبيولوجية على مقاييس، كما ذكرت عدة مرات، تكون فقط في حدود بضعة ميكرومترات ومن حيث أحجام تقاس بالبيكولترات.

أما التحدي الثاني الذي أرى أنه أسهل في المعالجة فهو تصور السلوك في ثلاثة أبعاد. فكل ما نقوم به حاليًا في المختبر هو ثنائي الأبعاد؛ حيث نستخدم المجهر التقليدي لتصور مسارات وتراكم الكائنات الحية الدقيقة، ولكن لدينا آمال كبيرة في تقنية تُعرف باسم الهولوغرافيا الرقمية لمنحنا القدرة، في غضون ثلاث إلى خمس سنوات ربما، على تتبع هذه الأشياء في ثلاثة أبعاد، وبالتالي بشكل أكثر دقة وواقعية، لنكون قادرين واقعياً على رصد البيئة الإيكولوجية في السنوات الخمس القادمة.

بالإضافة إلى محاولة التوسع في أخذ العينات لتصبح ثلاثية الأبعاد، وربما محاولة اتخاذ الخطوات الأولية البسيطة نحو أخذ العينات من المحيطات، فإننا نرغب بالتأكيد في ربط هذه الدراسات بالجهود الجارية لفهم الجينوميات الخاصة بهذه الكائنات. هناك توجه قوي، لا سيما كجزء من مبادرة نظام الأرض، لفهم التركيب الجيني والتباين من حيث الوراثة لهذه البكتيريا الموجودة في الميدان. وفي الوقت نفسه، تفتقر الجينوميات إلى القدرة على ربط النتائج مباشرة بسلوك الكائنات، وهذا ما نأمل أن توفره الموائع الدقيقة وهذه الدراسات الإيكولوجية الكلاسيكية الأكثر تركيزاً على السلوك.

لدينا تجهيزات ممتازة وفريق عمل رائع يدرس جينوميات البكتيريا البحرية، ومن خلال التعاون معهم، نأمل أن نتمكن من ربط هذين السؤالين الجوهريين للوصول إلى فهم أفضل لأنواع البكتيريا الموجودة في المحيط ودورها في تحديد صحة المحيط وصحة الكوكب.