تركيب الجينوم للبكتيريا المقاومة للإشعاع

تحوي خلايا D. radiodurans السلالة R1 على كروموسومين، الأول I يتكون من 2.65 ميكازوج قاعدة ويسمى (Dr – Main) ، والكروموسوم الثاني II يتكون من 412 كيلو قاعدة و4 نسخ في طور الاستقرار، اما E. coli (للمقارنة) فتحوي على 4 – 5 نسخ في الطور اللوغاريتمي. ان زيادة تعداد الكروموسومات قد يشكل وصفة ملائمة لمقاومة الاشعاع ولكنها لا تكون كافية فمثلا البكتريا Micrococcus luteus و M. sodonensis تحوي على عدة نسخ ولكنها حاسة جدا للإشعاع، اما Azotobzcter vinelandii تحوي في بعض مراحل حياتها على  80 نسخة كروموسوم / خلية ولكنها حساسة جد للأشعة فوق البنفسجية. ولا توجد علاقة بين عدد الكروموسومات ومقاومة الاشعاع كما اثبت ذلك من استعمال اوساط غذائية مختلفة لتنمية البكتريا. ويحوي جينوم البكتريا على حوالي 3195 جين.

وتحوي البكتريا على العناصر الوراثية المتحركة التي تساهم في الإصلاح التأشبي ومنها بلازميد كبير (DRB) Mega plasmid الذي يصل حجمه الى 177 كيلو قاعدة وبلازميد صغير (DRC) حجمه 46 كيلو قاعدة.

تحوي البكتريا على اثنين من Inteins وهي عناصر لخياطة ووصل البروتينات، وهذه موجودة في الجينات المسئولة عن ايض DNA والإنزيمات المسئولة عن استخدام النيوكلوتيدات واحد منها في Ribonucleotide reductase والآخر موجود في احد أفراد العائلة التي تتعامل مع ATP الخاصة التي تعمل على اعادة تشكيل الكروماتين.

ويحوي الجينوم على عناصر الاقحام IS وهي مشابه لما موجود في البكتريا الاخرى والبعض منها يحوي على (OFRs) Open frame readings التي تشفر لمنظمات انتساخ وكذلك تشفر لإنزيم القفز Transposoase ، وتحوي هذه العناصر على تواليات طرفية. تحوي البكتريا على 52 من IS وبمكررات مختلفة منها IS4 ويوجد منها 3 نسخ ، وتحوي على 11 نسخة من IS2621 وثمان نسخ من IS200 ، وهذه العناصر غير منتظمة التوزيع على الكروموسومات او البلازميدات، اذ ان تكرارها على البلازميدات أكثر مما موجود على الكروموسوم الأول والثاني. ووفرة IS هي أكثر بكثير من الجينومات البكتيرية الاخرى التي تم تحديد تواليات جينوماتها لحد الآن، اذ تحوي على 16.3 من عناصر الاقحام / 1000 جين في حين تحوي E. coli  على 1000 / 8 – 4 جين. ويبدو ان العدد الكبير لم ينتج من عمليات القفز لأن ذلك سيؤدي الى عدم ثباتية الجينوم، وجينوم D. radiodurans ثابت ولم تسجل الا حالات قليلة من القفز وتعطيل الجينات.

ويحوي جينوم D. radiodurans على مكررات غير مشفرة صغيرة Small noncoding (SNRs) repeats ويوجد العديد منها في المناطق بيت الجينات Intergenic regions ، وتوجد حول الجينات و الاوبرونات وهذه ربما توفر امكانية كبيرة للتمدد في بعض المناطق للاستجابة وعمليات التنظيم لمناطق الجينوم استجابة للظروف البيئية الخارجية.

ويحوي الجينوم على اثنين من العاثيات الاولية Prophages لا توجد بينهما علاقة، واحد على الكروموسوم الأول والثاني على الكروموسوم الآخر.

النقل الافقي للجينات

ظهر مما ذكر اعلاه حول تراكيب جينوم البكتريا انها اكتسبت عددا من الجينات بعمليات النقل الافقي، حيث اصبحت البكتريا مجمعا للجينات التي احتفظت البكتريا بما ينفعها وهو الذي يشكل حوالي 100 – 15 % من الجينات. وهناك العديد من الشواهد حول الانتقال الافقي والذي يعد من الأساسيات في تطور ليس هذه البكتريا فحسب وانما في تطور البكتريا الاخرى والاركيا. وبكتريا D. radiodurans ليست استثناءا فهي اكتسبت العديد من الجينات من مصادر عديدة واحتفظت بها كما موضح البعض منها في الجدول (1).

جدول 1 : بعض البروتينات والجينات الموجود في D. radiodurans المكتسبة من الاحياء الاخرى

ويتضح من الجدول ان عددا من الجينات موجود في الاركيا والبكتريا الموجبة لصبغة كرام واخرى خاصة بالبكتريا نفسها، وتحوي على جينات من الخلايا حقيقيات النواة، والنقل الافقي قد لا يقتصر على جين واحد وانما يمكن ان يشمل نظام جيني كامل، وهذه التشكيلة من الجينات هي التي تساهم في المقاومة للإشعاع الملفتة للنظر.

إصلاح اضرار الحوامض النووية :

ويمثل الموضوع الأهم الذي تم دراسته بغية الوصول الى معرفة آليات إصلاح DNA على وجه الخصوص والغرض الآخر معرفة الكيفية التي يمكن ان تستغل البكتيرية في معالجة التلوث بالاشعاع.

خلايا البكتريا في الطور التزايدي لا تموت بوجود 500 كيلوراد من الاشعاع، اذ يبقى منها حوالي 10% حتى عند استعمال 800 كيلوراد، في حين ان E. coli يبقى منها 10% عند استعمال 15 كيلوراد فقط، اي انها تظهر مقاومة أكثر من 50 مرة. اما في طور الاستقرار فتظهر D. radiodurans مقاومة للـ 1.5 ميكاراد وهي أكثر 100 مرة من مقاومة E. coli في طور الاستقرار. وتظهر البكتريا مقاومة أيضاً تجاه الاشعة فوق البنفسجية بمعلد 33 مرة أكثر من E. coli . ومعظم الاشعاعات تؤدي الى حدوث كسور في الاشرطة المزدوجة DSBs التي تعد من التأثيرات الخطرة والمميتة وذلك لعدم وجود أشرطة مفردة لعمليات الإصلاح والبكتريا E. coli تستطيع اصلاح عدد قليل من الكسور اما D. radiodurans فتستطيع اصلاح المئات.

وتبدأ عمليات الإصلاح في طور الشفاء الذي يمر بثلاث مراحل ولكن تسبقها عملية تنظيف. فعند التشعيع بجرع تصل الى 1.5 ميكاراد فان الخلايا توقف النمو لمدة تصل الى ساعات ثم تستأنف النمو بعد ذلك، والوقت المذكور يعتمد طوله على الجرعة المستعملة مما يشير الى وجود نقطة سيطرة تقيس وتسجل مدى الإصلاح الذي تحتاجه الخلايا وتحدد بدء عمليات تخليق DNA التضاعفي. وعند استعمال جرع مختلفة فانه في البداية تبدأ الخلايا في الدور المبكر (الذي سيأتي ذكره لاحقا) بالتنظيف الخلوي وتشمل هذه عدة عمليات منها تصدير قطع DNA المدمرة التي قد يصل حجمها 2000 زوج قاعدة وتكون خليط من النيوكلوتيدات المدمرة موجودة في سايتوبلازم الخلايا وتوجد في الوسط المحيط بالخلايا، مما يشير الى ان D. radiodurans تخرج المواد عند تكونها مباشرة. ان تصدير النيوكلوتيدات المدمرة يحمي الخلايا من احتمالية حصول التطفير وارتفاع مستوياته وذلك بمنع النيوكلوتيدات المدمرة من الاندماج في DNA الجديد عند تخليقه. اما ما يتبقى من النيوكلوتيدات المدمرة والتي يمكن ان تكون طلائع للتأثير المطفر يمكن ان تصحح بواسطة انزيمات Pyrophosphohydrolases التي تعود الى العائلة الكبيرة (Nucleoside diphosphate linked to x) Nudix ومنها MutT الذي له فعالية 8- oxo – dGTPase والذي ينتج 8- oxo – dDGP  وفوسفات لا عضوية وذلك لان المركب 8 - oxo – dGTP مطفر قوي ويمكن ان ينحشر في DNA ولذلك يقوم الانزيم بتصحيح الوضع. وتكون D. radiodurans غنية ببروتينات Nudix التي تقوم بتصحيح طلائع DNA المتغيرة التي تنتج بعد التشعيع. اما مركبات الاوكسجين الفعالة التي تتكون بعد التشعيع فيتم التخلص منها بواسطة (sodA) SOD والكاتيليز (katA) . وفي أثناء عملية التنظيف فان الخلايا تدخل الحوامض الامينية والنيوكلوتيدات والنيوكلوتيدات والسكريات والفوسفات من خارج الخلايا لتخليق DNA. والأدوار التي تلي عملية التنظيف من عمليات اصلاح واستعادة DNA تكون على درجة عالية من التنسيق وتكون على المراحل الآتية :

• الطور المبكر ويبدأ بعد انتهاء عملية التشعيع الى 3 ساعات، وفيه تتوقف الخلايا عن النمو، وفيه يحدث الجين recA ويعتقد انه تحصل في هذا الطور بعض الاصلاحات البسيطة للـ DNA ، ويكون الطور هو المرحلة النشطة لتنسيق عمليات التعبير عن الجينات.
• الطور المتوسط ويبدأ من 3 – 9 ساعات ويستمر فيه التعبير عن الجين recA واستمرار توقف النمو ولكن تحدث فيه بعض عمليات اصلاح للـ DNA.
• الطور المتأخر ويمتد من 9 – 24 ساعة ، وفيه يكبح الجين recA وتستعيد الخلايا قابليتها على النمو.

وعند تشعيع الخلايا بـ 15 والتي لها D37 (أي ان ما يتبقى من الخلايا هو 37%) يحصل ما يقارب من 150 – 200 كسر في مكونات جينوماتها الأربعة وهي الكروموسوم الأول او ما يسمى Dr Main كما ذكر انفا، والكروموسوم الثاني (DRA) والبلازميد الكبير (DRB) والبلازميد الصغير (DRC) وعند التشعيع وجد ان حوالي 832 جين (28%) من جينوم البكتريا يتم حثها و 451 جين (15%) يتم كبحها على الاقل في احدى مراحل الشفاء.

وبروتين recA يعد أساسيا لاستعادة الجينوم بعد التشعيع وحثه يعد الصفة الغالبة والمميزة لبدء عمليات التأشب المتجانس. وتساهم مفردات الجينوم المذكورة في عمليات الشفاء. فالبلازميد الصغير DRC الذي يحوي على 41 جين تحصل فيه عمليات تنشيط في الطور المتوسط والمتأخر من أطوار الشفاء ويعد الاهم في مرحلة الشفاء مقارنة بمكونات الجينوم الاخرى اذ يعبر عن 38 جين من جيناته 41 في الطور الاخير.

وما يحدث اثناء الاطوار الثلاثة يكون بمثابة تجميع لقطع الجينوم التي نتجت من التشعيع والتي تصل في بعض الأحيان عن استعمال 1.75 ميكاراد الى 1000 – 2000 قطعة (في حين ان E. coli تستطيع تجميع 10 – 15 قطعة) ، وعند الالتئام فان كل قطعة تبحث عن مكملتها وهذا ان حدث فانه يعني وجود احتمالات كبيرة جدا من التوليفات ولكن الخلايا تستعمل طرق اصلاح بالاعتماد على المعلومات المتوفرة لديها وتستغلها بشكل لا يستطيع غيرها من الخلايا القيام به، ولذلك فان عمليات الإصلاح تنتظم في سلسلة من الاحداث ومنها عمليات الإصلاح الفيزياوية وتحتاج الى ظروف تنمية تساعدها في ذلك، فالأوساط الصلبة يجب ان تكون مغذية جدا وفي حالة استعمال الاوساط السائلة فتحتاج الى اضافة اوساط جديدة غنية بالمواد الغذائية، وتحتاج الى تنظيم عدد الخلايا لإبعاد اجهادات الزحام وليلائم وضع استئناف نموها التزايدي، وذلك لان الظروف المحفزة للنمو تكون ضرورية للإزالة اصابات DNA من الخلية، والخلايا في هذه المرحلة تقوم بفعاليات ايضية عديدة ونشطة ولكن لا تنقسم وذلك لانشغال الخلايا بإصلاح DNA في الجينوم لان ذلك يعيق النمو. وطول مدة تعثر النمو والانقسام يعتمد على الجرعة التي تتعرض لها الخلايا، فالجرع العالية تؤدي الى اطالة المدة والتي قد تزيد بكثير عن المدة اللازمة لتفكيك DNA.

المصادر

الخفاجي , زهرة محمود (2008) . التقنية الحيوية الميكروبية (توجهات جزيئية ) . معهد الهندسة الوراثية والتقنية الحيوية . جامعة بغداد .