علم الوراثة الميكروبية وعلم الأحياء الدقيقة الجزيئي

تُحدد التراكيبُ الخلوية وعمليات الأيض التي ورَد ذِكرُها في الفصلَين الأول والثاني عن طريق الجينات. واكتُشِفت أنماطُ وراثة هذه الجينات بإجراء التجارِب على النباتات والحيوانات، لكن دراسة الوراثة على مستوى الجزيئات ركَّزَت على البكتيريا والفطريات أكثرَ من ستِّين عامًا. وقد سهَّل هذا العملَ كلٌّ من الجينومات الدقيقة للكائنات الحية التي تنتمي إلى الأنواع متعددة الخلايا، وزمن التوالد السريع للميكروبات المزروعة، وسهولة مُزاوجة بعض الفطريات لدراسة إعادة الاتحاد الجيني من خلال التزاوج الجنسي.

شكل ٣-١: أحجام جينومات الفيروسات والكائنات الحية الخلوية. تخطَّى جينوم فيروس باندورا حجمَ بعض جينومات بدائيات النواة، وتداخلَ مع أصغر الجينومات بدائيةِ النواة الخاصة بالفطريات الطفيلية (الميكروسبوريديا) التي تعيش داخل الخلايا الأخرى. تمتدُّ أكبر جينومات حقيقيات النواة إلى ملياراتٍ من أزواج القواعد من الدي إن إيه، وهو ما يتجاوز نطاقَ هذا التمثيل البياني بالأعمدة.

شكل ٣-٢: النسخ والنقل في بدائيات النواة (على اليسار) وحقيقيات النواة (على اليمين).

إنزيم البلمرة البكتيري هو بروتينٌ ضخم يتضمَّن خمس وحدات فرعية. ويرتبط بمواقع على طول جزيئات الدي إن إيه تُسمى محفِّزات، وتقع في مقدمة الجينات. لتمكين النَّسْخ، لا بد أن يُفكَّ التفاف اللولب المزدوج لدي إن إيه لكشف قواعد النيوكليوتيدات التي تُحدد ترتيب الأحماض الأمينية، التي تتجمَّع بدَورها لتكوين بروتينات. يفعل إنزيمُ بَلْمرة الحمض النووي الريبوزي هذا من خلال الاقتراب من الجين وفكِّ التفاف اللولب المزدوج لتكوين «فقاعة النَّسخ»، ويُعاد التفافُه من جديد بعد الفقاعة. يَستخدِم إنزيم البلمرة أحدَ الشريطين اللذين فُكَّ التفافهما باعتباره الشريطَ القالب لتخليق جزيء آر إن إيه الذي تكون قواعد النيوكليوتيدات الموجودة عليه مكملةً لقواعد النيوكليوتيدات الموجودة على شريط دي إن إيه. جزيء الدي إن إيه هو عبارة عن بوليمر من النيوكليوتيدات الريبوزية المنقوصة الأكسجين التي تحتوي على أربعة أنواع من القواعد النيتروجينية: الأدنين والجوانين والثايمين والسيتوزين (إيه، جي، تي، سي). وجزيء الآر إن إيه هو بوليمر من النيوكليوتيدات الريبوزية وقواعدها هي: الأدنين والجوانين واليوراسيل (بدلًا من الثايمين) والسيتوزين (إيه، جي، يو، سي). تنتمي القاعدتان إيه وجيه إلى نوعٍ من القواعد يُسمى البيورينات، بينما تنتمي القواعد تي وسي ويو إلى البيريميدينات. في جزيء دي إن إيه، ترتبط قواعد الأدنين بقواعد الثايمين في الشريطَين المتكاملين عن طريق الروابط الهيدروجينية، وترتبط قواعد الجوانين بالسيتوزين. ينسخ إنزيم بلمرة الحمض النووي الريبوزي تتابع دي إن إيه على شريط مفرد من الآر إن إيه من خلال توصيل قواعد الأدنين باليوراسيل والثايمين بالأدنين والجوانين بالسيتوزين والسيتوزين بالجوانين وإنتاج تتابعٍ من النيوكليوتيدات الريبوزية التي ترتبط بروابطَ تساهمية. يُطلَق إنزيم بلمرة الحمض النووي الريبوزي عندما يلتقي الإنزيم بتتابعٍ يُسمى «مُنهي النسخ».

معظم الجينات تُحدد البروتينات، لكن الحمض النووي الريبوزي الريبوسومي (آر آر إن إيه) والحمض النووي الريبوزي الناقل (تي آر إن إيه) يتكوَّنان من خلال عملية النسخ ولا يُترجَمان. تتَّحد ثلاثة أنواع من الحمض النووي الريبوزي الريبوسومي مع العديد من البروتينات لتكوين هيكل الريبوسومات البكتيرية. يلعب ستُّون نوعًا من تي آر إن إيه دورًا في آلية الترجمة يتمثل في إضافة الأحماض الأمينية إلى سلاسل عديدات الببتيد المتزايدة التي تكوِّن البروتينات. تُنسخ الجينات التي تُشفِّر أنواعًا مختلفة من آر آر إن إيه وتي آر إن إيه كوحدات مفردة في البكتيريا وتُجزَّأ إلى جزيئات آر إن إيه مختلفة بعد النسخ.

توصف هذه الجينات (تُسمى أيضًا المقرونات) بأنها متعددةُ المقرونات. يمكن لمجموعةٍ من هذه الجينات، المنسوخة بالتزامن معًا والتي يتحكم فيها محفِّزٌ واحد، أن تُكوِّن منطقةً فعالة. يتَّسم معظم الحمض النووي الريبوزي الرسول الناتج عن عملية النسخ في العتائق بأنه متعددُ مقرونات أيضًا.

تحدث ترجمة إم آر إن إيه إلى بروتينات عند ارتباط إم آر إن إيه بالريبوسومات. يُحدد تتابعُ الإم آر إن إيه الإضافةَ المتتابعة للأحماض الأمينية التي تُكوِّن البروتينات. تُشفَّر الأحماض الأمينية المختلفة في صورة مجموعاتٍ ثلاثية من قواعد النيوكليوتيدات في تتابع إم آر إن إيه تُسمَّى الكودونات. بالإضافة إلى كونِ هذه التتابعات الثلاثية تحمل شفرةَ الأحماض الأمينية، فإنها تُحدد مواضعَ بَدْء الترجمة (كودونات البدء) والمواضع التي تنتهي عندها الترجمةُ (كودونات الوقف). تُحمَل شفرةُ كلِّ حمض أميني من الأحماض الأمينية الاثنين والعشرين بواسطة كودون أو أكثرَ وفقًا للشفرة الوراثية. تكون الشفرة عامة غالبًا، باستثناءِ بعض الاختلافات لدى بعض الكائنات الحية التي تستخدم كودونات الوقف لتشفير الأحماض الأمينية. تتكامل الكودونات مع مضادَّات الكودونات التي تحملها تتابعاتُ أنواع مختلفة من جزيئات تي آر إن إيه، الشبيهة بشكلِ أوراق البرسيم، والتي تحمل في طرَفِها الآخَر الأحماض الأمينية إلى الريبوسوم. يتكامل تتابع تي آر إن إيه الذي يحمل مضادَّ الكودون إيه يو إيه ويحمل حمض التيروزين الأميني مع الكودون يو إيه يو الموجود على تتابع إم آر إن إيه. يضمن التوافقُ بين مضادِّ الكودون الذي يحمله تتابع تي آر إن إيه والحمض الأميني الذي يحمله تجميعُ سلاسل عديدات الببتيد وفقًا لترتيب الكودونات في تتابع إم آر إن إيه.

تُنَظَّم عملية النَّسخ عن طريق البروتينات التي ترتبط بتتابعات دي إن إيه. يلتفُّ الحمض النووي لحقيقيات النواة والكثير من العتائق حول بروتينات تُسمى الهستونات مما يُتيح تكثيفَ الحمض النووي داخل مساحةٍ صغيرة نسبيًّا. يتَّحد الحمض النووي مع المركَّبات المعقَّدة لأنواعٍ مختلفة من الهستونات لتكوين النيوكليوسومات، التي تبدو مثل عِقْد من الخَرَز، ويتكثَّف هذا التركيب ويلتفُّ مرةً أخرى لتكوين أليافٍ أكثرَ كثافة. ينتج عن تكثيفِ هذه الألياف أكثرَ فأكثر العديدُ من الكروموسومات مختلفةِ الشكل في الخلايا حقيقية النواة، عندما تخضع للانقسام الخلوي. في هذه الحالة من التفاف اللولب المزدوج، يكون إنزيم بلمرة الحمض النووي الريبوزي غيرَ قادر على نَسْخ تتابُع دي إن إيه إلى إم آر إن إيه. يعتمد التعبير الجيني على فكِّ الالتفاف، وهذا يُحفَّز عن طريق الإنزيمات التي تعكس عملية الالتفاف. يُبسط عدم وجود هستونات في البكتيريا هذه العمليات.

ترتبط معظم البروتينات التي تشترك في عملية التنظيم الجيني بتتابعات دي إن إيه محددة، وتؤثر على نسخ جينات مفردة أو منطقة فعالة من جينات منسوخة آنيًّا في الموقع نفسِه على الكروموسوم. تُنسَخ بعض الجينات طَوال الوقت، وهو ما يُوفِّر إمدادًا ثابتًا من إم آر إن إيه الذي يُترجَم إلى بروتين. ويُسمى هذا بالتعبير البنيوي أو التكويني. بعض الجينات تعمل وتتوقف عن العمل استجابةً لمتطلبات الخلية والتغيُّر في الظروف البيئية.

يُنظَّم جينوم البكتيريا والعتائق في صورة جزيء دائري من الدي إن إيه. يبدأ نسخ هذا الكروموسوم عند موقعٍ واحد، يُسمى مَنْشأ النسخ، ويستمر في كِلا الاتجاهَين حول الحلقة. يُحفَّز نسخ جزيء الدي إن إيه عن طريق إنزيمات بلمرة الحمض النووي التي تكوِّن شرائطَ جديدة من النيوكليوتيدات على كِلا شريطَي اللولب المزدوج للدي إن إيه؛ لتكوين زوجَين من الكروموسومات الكاملة. يكتمل النسخ في الإيشيرشيا كولاي في نحو أربعين دقيقة تُضيف خلالها إنزيمات البلمرة ١٠٠٠ نيوكليوتيدة في الثانية. تعمل إنزيماتٌ أخرى تشترك في عملية التضاعف على فك التفاف اللولب المزدوج قبل عمل إنزيمات البلمرة (إنزيم اللولب)، وسدِّ الفجوة في بداية الشريط الجديد عند اكتمال التخليق (إنزيم الربط). وتُعد الأخطاء التي تحدث في عملية النسخ مصدرًا للطفرات، وتكون مميتةً للخلية. يُحَافِظ على دقة التضاعف نظامُ تصحيحٍ نشطٌ تستجيب فيه إنزيماتُ البلمرة للتشوهات التي تحدث في لولب الدي إن إيه، نتيجةً لاندماج نيوكليوتيدة خاطئة مع نيوكليوتيدة تحمل القاعدة الصحيحة، وذلك بعد أن تحُلَّ محَلَّ نيوكليوتيدة ضلَّت طريقها.

يعود النسخ في العتائق لمنشأي نسخ أو أكثر على كروموسوم مفرَد. ويُعد هذا من الفروق العديدة بين علم الوراثة الجزيئية للبكتيريا والعتائق. تتضمَّن سمات العتائق، الأشبه بحقيقيات النواة من البكتيريا، التماثل بين نوع إنزيم بَلْمرة الحمض النووي الريبوزي الوحيد في العتائق وأحد إنزيمات بلمرة الحمض النووي الريبوزي المستخدَمة بواسطة حقيقيات النواة، وتتابعات المحفِّز في العتائق وحقيقيات النواة، وآليات الترجمة.

تُنسَخ بعضُ تتابعات الدي إن إيه التي لا تحمل شفرةَ بروتينات إلى أشكال وظيفية من الآر إن إيه الذي يشترك في تخليق البروتينات (الحمض النووي الريبوزي الريبوسومي والحمض النووي الريبوزي الناقل) وجزيئات آر إن إيه التي تُنظم التعبيرَ عن الجينات المشفِّرة للبروتينات. توضع التتابعات الأخرى غير المشفِّرة التي يُطلَق عليها الإنترونات داخل جيناتٍ وظيفية. ويُشار إلى تتابعات الدي إن إيه التي لا يبدو أنها تُشفِّر بروتينات أو تُنسَخ إلى جزيئات آر إن إيه وظيفيةٍ بتَسْمية «الدي إن إيه غير الوظيفي». قد تكون بعضُ هذه التتابعات عبارةً عن نُسخ متكررة من الجينات (جينات كاذبة)، لكنها ثُبِّطَت خلال التاريخ التطوري لجينوم الكائن الحي، أو أدخَلَتها فيروسات وأصبحَت لا تؤدي وظيفةً فعالة في الوقت الحاضر. تُعد هذه من المجالات البحثية النشطة. ويُعد تحليل الجينوم الكامل إحدى المهام الرئيسية لعلم الأحياء الدقيقة الحديث. تُقدم الأبحاث في مجال الجينوم معلوماتٍ حول الآليات المسبِّبة للأمراض، والأنشطة البيئية للميكروبات، والإمكانيات التكنولوجية الحيوية للأنواع المختلفة، والتاريخ التطوري.

كل أنواع المادة الوراثية معرَّضة لحدوث طفرات. وتلعب الطفراتُ الطبيعية في الكائنات الحية الدقيقة دورًا رئيسيًّا في التطور. وتؤثِّر الطفرات النقطية ما بين التتابُعات المشفِّرة على أزواج القواعد المفرَدة. وتتسبَّب تباديلُ أزواج القواعد هذه في مجموعةٍ من التأثيرات بالتدخل في عملية النسخ أو الترجمة، ويمكن أن ينتج عنها بروتيناتٌ غيرُ وظيفية. إذا نتج عن الطفرة تتابعٌ ثلاثي يقابله الحمض الأميني نفسُه الذي يقابل التتابُعَ الأصلي، فلن يكون للطفرة تأثيرٌ على تخليق البروتين. وهذه الطفرات صامتة. وغالبًا ما تكون إضافةُ أزواج قواعد إلى مناطق التشفير من الجينوم أو حذفها، أو حذف التتابعات، مدمِّرةً جدًّا. وذلك لأن تأثيراتها على التعبير الجيني لا يمكن عكسُها بطفرةٍ عكسية بسيطة تستعيد التتابع الأصلي لأزواج القواعد. كانت الطفراتُ الاصطناعية التي تحدث للكائنات الحية الدقيقة بفعل استخدام الموادِّ الكيميائية المسبِّبة للطفرات والأشعة فوق البنفسجية والإشعاع المؤيَّن من الممارسات البحثية واسعةِ الانتشار لعقود. هذه الطرق تُدمر الجينوم بطريقةٍ عشوائية، وتُستخدم لتكوين مجموعة من الجينات المسببة للطفرات. أصبحَت الطفراتُ الموجهة لجينات محدَّدة، التي تُعرف بالتطفير الموجه لموقع معيَّن، من الطرقِ الأكثر شيوعًا في علم الوراثة الجزيئية والهندسة الوراثية.

تطوَّرَت الآليات الطبيعية للتعديل الجيني بين البكتيريا والعتائق والميكروبات حقيقية النواة. يحدث التحولُ عند دمج أجزاء الحمض النووي المأخوذة من خليةٍ مانحة داخل خلية متلقِّية. يحدث دمج الحمض النووي في كروموسوم الخلية المتلقية بواسطة البروتين آر إيي سي إيه. لا يحدث التحول في الطبيعة على نحوٍ متكرر، بل يمكن أن يُحفَّز في ظل ظروفٍ تجريبية. التنبيغ هو الآليةُ الثانية للتعديل الجيني التي يُنقل خلالها فيروس الحمض النووي من خليةٍ لأخرى. ويُعتقد أن هذه الآليةَ تُعد آليةً أكثرَ أهمية بوصفها آليةً طبيعية. يُتيح تزاوجُ البكتيريا انتقالَ الحمض النووي بين الخلايا عبر تركيبٍ أنبوبي يُسمى خيطًا شعريًّا جنسيًّا. يُطلق على عملية التبادُل الجيني، التي تتضمن الاتصالَ الماديَّ بين الخلايا، تسميةُ الاقتران. يتكون الخيط الشعري من العديد من الوحدات الفرعية البروتينية. تُسحب الخليَّتان المتزاوجتان معًا عن طريق تفكُّك الوحدات الفرعية للخيط الشعري وتُكوِّن ثقبًا عند موقع الاتصال الذي يُنقل عبره الحمض النووي.

تنتقل البلازميدات غالبًا أثناء عملية الاقتران. البلازميدات هي جزيئات صغيرة دائرية من الحمض النووي تحمل شفراتِ جيناتٍ ثانوية غير موجودة في الكروموسوم. يمكن أن تحتويَ الخلية الواحدة على أكثرَ من مائة نسخة من نوعٍ واحد من البلازميد. تحمل الجينات الموجودة على البلازميدات المقاوِمة شفراتِ البروتينات التي تحمي الخليةَ من المضادَّات الحيوية. تؤثر الأنواع الأخرى من البلازميد على شدةِ انتشار سلالةٍ بكتيرية من خلال تعزيز قدرتها على الاستيطان في عائل محدَّد وإلحاق الضرر به.

ويُطلَق على تتابعات الحمض النووي التي يمكنها الانتقالُ من موقع داخل جينوم إلى آخَر الجيناتُ القابلة للانتقال أو الجينات القافزة. وهي موجودةٌ في جميع الكائنات الحية وهي من العوامل المهمة التي تشترك في تطوُّر الجينوم. في الكائنات الحية بدائية النواة، يمكن للجينات القافزة الانتقالُ من البلازميدات متسببةً في إدماج مقاومة لمضادات حيوية في الكروموسوم. إذا لم يُنسَخ الجين القافز قبل تبديل موقعِه (بآلية القص واللصق)، فإن التتابع يُفقَد من موقعه الأصلي؛ أما إذا نُسخ الجين القافز قبل انتقاله (بآلية القص واللصق)، فإن التتابع الأصلي يبقى في موقع الخلية المانحة. معظم الجينات القافزة لا تُسبب أيَّ تلفٍ للخلية، لكن عندما تستقرُّ في داخل جينات فعالة فمن المحتمل أن تُثبط عملها.

شكل ٣-٣: التكاثر الجنسي في فطر الخميرة Saccharomyces.

شكل ٣-٤: التكاثر الجنسي في الفطريات الزيجية الخيطية Cokeromyces recurvatus.

وبالإضافة إلى الأبحاث الجينومية على نوعٍ واحد من الكائنات، طوَّر علماءُ الأحياء الدقيقة طرقًا لاكتشاف تنوُّع الكائنات الحية الدقيقة في البيئات المختلفة. وقد كشَفَت هذه الأبحاثُ الميتاجينومية عن وجود وفرةٍ غير متوقَّعة من الكائنات الحية التي تعيش في البيئات المائية والتربة والجهاز الهضمي للإنسان. ويمضي هذا العملُ قُدُمًا دون النظر إلى عيِّنات بالمجهر أو زراعةِ ميكروبات في المعمل. وباستخدام طرق تحديد التتابع بالتشظية، وتُقَدِّم الأبحاث الميتاجينومية معلوماتٍ حول التتابعات مستقاةً من إجماليِّ الحمض النووي في عيِّنة. حدَّدت هذه التجارِبُ أعدادًا كبيرة من الجينات التي تُظهر تشابهًا ضئيلًا مع الجينات المعروفة، أو لا تظهر تشابهًا معها على الإطلاق، وتكشف عن وجود كائنات جديدة على العلم.