بكتيريا قطبية تستخدم مسار الأسيتون لالتقاط ثاني أكسيد الكربون

يبدو أن بكتيريا عُثر عليها في المياه السطحية للمحيط المتجمد الشمالي تستخدم الأسيتون جزءاً من مسار لاستيعاب الكربون يدمج أيضاً ثاني أكسيد الكربون، وفقاً لما أوردته nature.com. ويحدد هذا الاكتشاف شكلاً غير مألوف من الكربوكسلة لدى جماعة بحرية ضوئية التغذي غير ذاتية التغذي، ويشير إلى أن هذه العملية قد تساعد الكائن على توسيع إمداده بالمواد اللازمة للنمو.

اكتُشف المسار في عينات ميتاجينومية جُمعت خلال مسح امتد من شمال المحيط المتجمد الشمالي إلى جنوبه. وربط الباحثون الجينات المعنية بجماعة واحدة من البكتيريا غامّابروتيوباكتيرية، هي Porticoccus arcticus. ولم تُرصد الكائنات الدقيقة مرة واحدة فحسب؛ إذ ظهرت تسلسلاتها الجينية مراراً في مسح متعدد السنوات استند إلى الحمض النووي الريبي الريبوزومي 16S، ومثّلت في بعض العينات ما يصل إلى 9% من الجماعة المقاسة.

ويشير هذا الوجود المتكرر إلى دور راسخ لـ P. arcticus في النظم البيئية البحرية القطبية، لا إلى ظهور عابر في المياه التي أُخذت منها العينات. كما فحصت الدراسة الميتاترنسكريبتومات، التي تشير إلى الجينات النشطة في الجماعات البيئية. وفي تلك البيانات، احتلت جينات كربوكسيلاز الأسيتون وعدة جينات للرودوبسينات مراتب بين الجينات الأكثر تعبيراً لدى P. arcticus في المياه السطحية الفقيرة بالمغذيات في القطب الشمالي.

استخدام مختلف للكربوكسلة

الكربوكسيلازات إنزيمات تساعد على إلحاق الكربون غير العضوي، بما في ذلك ثاني أكسيد الكربون، بجزيئات أخرى. وترتبط هذه الكيمياء على نطاق واسع بالكائنات ذاتية التغذي، التي تستخدم ثاني أكسيد الكربون لصنع مركبات عضوية. ويقدم العمل الجديد صورة أوسع، من خلال عرض أدلة على أن كربوكسيلازاً يمكن أن يشارك في تفكيك مركب عضوي واستيعابه—وفي هذه الحالة الأسيتون.

ولذلك لا يوصف المسار المقترح بأنه تثبيت عادي للكربون فحسب. فهو يجمع بين تفكيك الأسيتون وإدماج ثاني أكسيد الكربون. وبالنسبة إلى بكتيريا تعيش في مياه قليلة التغذية، حيث تكون المغذيات المتاحة محدودة، قد يوفر هذا المزيج وسيلة إضافية لإنتاج اللبنات الجزيئية اللازمة لخلاياها. وتخلص الدراسة إلى أن كربوكسيلاسة الأسيتون قد تزيد القدرة التخليقية الحيوية للبكتيريا البحرية الضوئية التغذي غير ذاتية التغذي، عبر استكمال أيض الكربون العضوي بالكربون غير العضوي.

وتأتي الأدلة من توزيع الجينات ونشاطها، لا من عرض مخبري مباشر للمسار الكامل. فقد أظهرت الميتاجينومات أن P. arcticus تحمل الآلية الجينية ذات الصلة، في حين أظهرت الميتاترنسكريبتومات أن جينات كربوكسيلاز الأسيتون نشطة بدرجة كبيرة في البيئة الطبيعية التي جرى فحصها. وتربط هذه الملاحظات مجتمعةً المسار بحياة البكتيريا في المياه السطحية القطبية.

جينوم مبسّط مع جينات إضافية لاستشعار الضوء

تضيف الصورة الجينومية لـ P. arcticus جزءاً آخر إلى هذا الاكتشاف. فمقارنةً بكائنات Porticoccus ذات الصلة، تمتلك البكتيريا جينوماً أكثر إحكاماً وتبسيطاً. وعلى الرغم من هذا الاختزال في مجموعتها الجينومية، فإنها تحتفظ بمجموعة كاملة من الجينات اللازمة لكربوكسيلاسة الأسيتون.

وفي الوقت نفسه، اكتسبت البكتيريا جينات متعددة للبروتيورودوبسين عبر النقل الجيني الجانبي. وتعرض الدراسة البروتيورودوبسينات بوصفها جزءاً من مجموعة الأدوات الجينية المرتبطة بالضوء لدى الكائن، كما أن التعبير القوي عن جينات الرودوبسين في المياه السطحية يضعها إلى جانب كربوكسيلاسة الأسيتون ضمن أنشطته البارزة هناك.

ويكتسب هذا المزيج أهمية خاصة لأنه يجمع سمتين في جماعة واحدة: جينات لاستخدام رودوبسينات مرتبطة بالضوء، ومسار يعالج الأسيتون فيما يُدخل ثاني أكسيد الكربون في الأيض. ولا تثبت النتائج أن النظامين يعملان بوصفهما تسلسلاً كيميائياً حيوياً واحداً، لكن تعبيرهما المرتفع في الجماعة القطبية نفسها يسلط الضوء على الخصائص الأيضية المميزة للكائن.

لماذا يهم السجل القطبي الشمالي

يعزز الكشف المتكرر عن P. arcticus في سجل 16S rRNA الممتد لسنوات طويلة الأهمية البيئية للنتيجة. فالمسار الذي يُعثر عليه في جزء جينومي معزول فقط لن يقدم أدلة قوية على أهميته في المحيط. أما هنا، فقد كان الكائن موجوداً باستمرار، وكان وفيراً نسبياً في بعض الأحيان ضمن الجماعات البحرية القطبية التي أُخذت منها العينات.

ومن ثم تضع الدراسة كربوكسيلاسة الأسيتون ضمن العملية الأوسع لدورة الكربون في المحيط. وتشغل الكربوكسيلازات بالفعل موقعاً مركزياً في الطبيعة لأنها تتوسط تثبيت ثاني أكسيد الكربون. وتضيف الأدلة على أن كائناً بحرياً ضوئي التغذي غير ذاتي التغذي يمكنه استخدام أحد هذه الإنزيمات أثناء تفكيك الأسيتون مساراً محتملاً آخر لدخول الكربون غير العضوي إلى المادة الخلوية.

وكما أوردت nature.com، يحدد هذا العمل وحدة أيضية لدى بكتيريا قطبية قد تساعدها على الازدهار في المياه السطحية قليلة التغذية. كما يوضح كيف يمكن لمسوح الجينوم، وبيانات التعبير الجيني البيئية، وسجلات الجماعات طويلة الأمد أن تكشف معاً شكلاً غير متوقع من معالجة الكربون في المحيط.