الضوء الحيوي التلألؤ البيولوجي

مصر :ايهاب محمد زايد

في العمق ، أدلة على كيف تجعل الحياة الضوء. تطورت الكائنات الحية ذات الإضاءة الحيوية عشرات المرات على مدار تاريخ الحياة. تضيق الدراسات الحديثة على الكيمياء الحيوية المعقدة اللازمة لإلقاء الضوء على الظلام.

الغوص بعمق كافٍ تحت سطح المحيط ، ويسود الضوء. حوالي 90 في المائة من الأسماك والقشريات التي تسكن على أعماق تتراوح من 100 إلى 1000 متر قادرة على صنع ضوءها الخاص. يصطاد مصباح يدوي الأسماك ويتواصل مع رمز مورس وامض ترسله جيوب ضوئية تنبض تحت أعينهم. سمكة كتف الأنبوب تطلق حبرًا مضيئًا على مهاجميها. تجعل سمكة هاتشيت نفسها تبدو غير مرئية من خلال توليد الضوء على تحتها لتقليد أشعة الشمس السفلية ؛ تتجول الحيوانات المفترسة أدناه لترى توهجًا مستمرًا فقط.
قام العلماء بفهرسة الآلاف من الكائنات الحية عبر شجرة الحياة ، ويتوقعون إضافة المزيد. ومع ذلك ، لطالما تساءل الباحثون عن كيفية ظهور التلألؤ البيولوجي. الآن ، كما هو موضح في العديد من الدراسات التي تم إصدارها مؤخرًا ، حقق الباحثون تقدمًا كبيرًا في فهم أصول التلألؤ البيولوجي – التطوري والكيميائي. قد يسمح الفهم الجديد يومًا ما باستخدام التلألؤ البيولوجي كأداة في علم الأحياء والبحوث الطبية.
كان أحد التحديات طويلة الأمد هو تحديد عدد المرات المنفصلة التي نشأ فيها التلألؤ البيولوجي. كم عدد الأنواع التي توصلت إلى نفس النتيجة ، مستقلة عن بعضها البعض؟
على الرغم من أن بعض الأمثلة الأكثر شيوعًا للضوء من الكائنات الحية هي أمثلة أرضية – فكر في اليراعات والديدان المتوهجة ونيران الثعالب – فقد حدثت معظم الأحداث التطورية التي تنطوي على تلألؤ بيولوجي في المحيط. في الواقع ، إن التلألؤ البيولوجي غائب بشكل ملحوظ عن جميع الفقاريات الأرضية والنباتات المزهرة.
قال ماثيو ديفيس ، عالم الأحياء بجامعة سانت كلاود في مينيسوتا ، في أعماق المحيط ، يمنح الضوء الكائنات الحية طريقة فريدة لجذب الفريسة والتواصل والدفاع عن نفسها. في دراسة صدرت في يونيو ، وجد هو وزملاؤه أن الأسماك التي تستخدم الضوء للتواصل وإشارات المغازلة كانت متنوعة بشكل خاص. على مدى حوالي 150 مليون سنة – باختصار وفقًا للمعايير التطورية – تكاثرت هذه الأسماك في أنواع أكثر من مجموعات الأسماك الأخرى. من ناحية أخرى ، لم تعد الأنواع ذات الإضاءة الحيوية التي تستخدم ضوءها حصريًا للتمويه.
يمكن أن تتغير إشارات الخطوبة بسهولة نسبية. يمكن أن تؤدي هذه التغييرات بدورها إلى إنشاء مجموعات فرعية في مجموعة سكانية ، والتي تنقسم في النهاية إلى أنواع فريدة. في يونيو ، نشر تود أوكلي ، عالم الأحياء التطوري في جامعة كاليفورنيا ، سانتا باربرا ، وأحد طلابه ، إميلي إليس ، دراسة وجدوا فيها أن الكائنات الحية التي تستخدم التلألؤ الحيوي في التودد لديها أنواع أكثر بشكل ملحوظ ، ومعدلات أسرع من تراكم الأنواع ، من الكائنات الحية ذات الصلة الوثيقة التي لا تستخدم الضوء. درس أوكلي وإيليس عشر مجموعات من الكائنات الحية ، بما في ذلك اليراعات والأخطبوطات وأسماك القرش والقشريات الصغيرة التي تسمى ostracods.
اقتصرت الدراسة التي أجراها ديفيس وزملاؤه على الأسماك ذات الزعانف ، وهي مجموعة تضم حوالي 95 في المائة من أنواع الأسماك. قدر ديفيس أنه حتى في تلك المجموعة المنفردة ، تطور التلألؤ البيولوجي 27 مرة على الأقل. قدر ستيفن هادوك ، عالم الأحياء البحرية في معهد أبحاث الأحياء المائية بخليج مونتيري وخبير في التلألؤ الحيوي ، أنه عبر جميع أشكال الحياة ، تطور التلألؤ البيولوجي بشكل مستقل 50 مرة على الأقل.
طرق عديدة للتألق
في جميع الكائنات الحية اللامعة تقريبًا ، يتطلب التلألؤ الحيوي ثلاثة مكونات: الأكسجين ، وهو صبغة باعثة للضوء تسمى لوسيفيرين (من الكلمة اللاتينية لوسيفر ، والتي تعني جلب الضوء) ، وإنزيم يسمى لوسيفيراز. عندما يتفاعل اللوسيفيرين مع الأكسجين – وهي عملية يتم تسهيلها بواسطة اللوسيفيراز – فإنه يشكل مركبًا متحمسًا غير مستقر ينبعث منه الضوء عندما يعود إلى أدنى حالة طاقة له.
من الغريب أن عدد لوسيفيرينات أقل بكثير من لوسيفيراس. في حين أن الأنواع تميل إلى أن يكون لها لوسيفيراس فريد ، فإن العديد منها يشترك في نفس لوسيفيرين. أربعة فقط من لوسيفيرين مسؤولة عن معظم إنتاج الضوء في المحيط. من بين ما يقرب من 20 مجموعة من الكائنات الحية ذات الإضاءة الحيوية في العالم ، فإن لوسيفيرين المسمى coelenterazine هو الباعث للضوء في تسعة.
ومع ذلك ، سيكون من الخطأ افتراض أن جميع الكائنات الحية المحتوية على كويلنتيرازين قد تطورت من سلف واحد مضيء. إذا كانوا قد سألوا وارين فرانسيس ، عالم الأحياء في جامعة لودفيج ماكسيميليان في ميونيخ ، فلماذا طوروا مثل هذه المجموعة الواسعة من اللوسيفيراس؟ من المفترض أن الزوج الأول لوسيفيرين-لوسيفيراز كان سينجو ويتضاعف.
من المرجح أن العديد من هذه الأنواع لا تصنع كويلنتيرازين بنفسها. قال يويتشي أوبا ، أستاذ علم الأحياء بجامعة تشوبو في اليابان ، إنهم بدلاً من ذلك يحصلون عليه من نظامهم الغذائي.
في عام 2009 ، اكتشفت مجموعة بقيادة أوبا أن مجدافيات أعماق البحار – قشريات صغيرة منتشرة في كل مكان – تصنع كويلنترزين خاص بها. قال أوبا إن مجدافيات الأرجل هذه مصدر غذاء وفير للغاية لمجموعة واسعة من الحيوانات البحرية – لدرجة أنه “في اليابان ، نسمي مجدافيات الأرجل” أرز المحيط “. وهو يعتقد أن مجدافيات الأرجل هي المفتاح لفهم سبب كون العديد من الكائنات البحرية ذات إضاءة بيولوجية.
أخذ أوبا وزملاؤه أحماض أمينية يعتقد أنها اللبنات الأساسية للكويلنتيرازين ، ووسموها بعلامة جزيئية ، وحملوها في طعام مجداف الأرجل. ثم قاموا بإطعام هذا الطعام لمجدافيات الأرجل في المختبر.
بعد 24 ساعة ، استخرج الباحثون الكولينترازين من مجدافيات الأرجل وبحثوا عن الملصقات التي أضافوها. من المؤكد أن الملصقات كانت موجودة – دليل قاطع على أن القشريات قد صنعت جزيئات لوسيفيرين من الأحماض الأمينية.
حتى قنديل البحر الذي تم اكتشاف coelenterazine فيه لأول مرة (وسميت باسم) وجد لاحقًا أنه لا ينتج coelenterazine الخاص به على الإطلاق. يحصل على لوسيفيرين عن طريق أكل مجدافيات الأرجل والقشريات الصغيرة الأخرى.
أصول غامضة
وجد الباحثون دليلاً آخر قد يساعد في تفسير شعبية كويلنتيرازين في حيوانات أعماق البحار: هذا الجزيء موجود أيضًا في الكائنات الحية التي لا تصدر ضوءًا. وقد صدم هذا جان فرانسوا ريس ، عالم الأحياء بجامعة لوفان الكاثوليكية في بلجيكا ، باعتباره غريبًا. وقال إنه من المدهش بالفعل “أن العديد من الحيوانات المختلفة تعتمد على نفس الجزيء بالضبط لإنتاج الضوء”. ربما كان coelenterazine وظيفة أخرى إلى جانب اللمعان؟
في التجارب التي أجريت على خلايا كبد الفئران ، أظهر ريس أن كويلنتيرازين هو أحد مضادات الأكسدة القوية. فرضيته: ربما تكاثر coelenterazine لأول مرة في الكائنات البحرية التي تعيش في المياه السطحية. هناك ، كان من الممكن أن توفر مضادات الأكسدة الحماية التي تمس الحاجة إليها ضد الإجهاد التأكسدي من أشعة الشمس الضارة ومعدلات التنفس المرتفعة.
عندما بدأت هذه الكائنات في استعمار طبقات أعمق من المحيط ، حيث تقل الحاجة إلى مضادات الأكسدة ، أصبحت قدرة كويلنتيرازين على إصدار الضوء مفيدة ، كما افترض ريس. بمرور الوقت ، طورت الكائنات الحية استراتيجيات مختلفة – مثل اللوسيفيراز وأعضاء الضوء المتخصصة – لتعزيز هذه الخاصية.
قد يكشف الهلام المشط عن التعليمات الجينية التي تجعل التلألؤ البيولوجي ممكنًا.
ومع ذلك ، لم يكتشف الباحثون كيف تصنع الكائنات الحية بخلاف مجدافيات الأرجل في أوبا الكولينتيرازين. كما أن الجينات التي تكوِّد لـ coelenterazine غير معروفة تمامًا.
أدخل هلام المشط. هذه المخلوقات البحرية القديمة – التي يعتقد البعض أنها الفرع الأول من شجرة عائلة الحيوانات – يشتبه منذ فترة طويلة في قدرتها على إنتاج كويلنتيرازين. لكن لم يتمكن أحد من تأكيد ذلك ، ناهيك عن تتبع مجموعة التعليمات الجينية في العمل.
ومع ذلك ، في العمل الذي تم الإبلاغ عنه العام الماضي ، قام فريق من الباحثين بقيادة فرانسيس وهادوك بالتركيز على جين قد يكون متورطًا في تصنيع لوسيفيرين. للقيام بذلك ، نظروا في نسخ الهلام المشط ، والتي توفر لقطة من الجينات التي يعبر عنها حيوان في أي وقت. كانوا يبحثون عن جينات مشفرة لمجموعة من ثلاثة أحماض أمينية – نفس الأحماض الأمينية التي يتغذى عليها أوبا مجدافيات الأرجل.
عبر 22 نوعًا من الهلام المشط ، وجد العلماء مجموعة من الجينات التي تناسب معاييرهم. هذه الجينات نفسها كانت غائبة في نوعين آخرين غير مضيئين من الهلام المشط.
قال هادوك: “إنه دليل قوي للغاية ، لكنه لا يزال ظاهريًا ،” على أن هذه الجينات قد تكون تستجيب في إنتاج coelenterazine. نظرًا لأن تقنيات العمل مع الهلام المشط في المختبر أصبحت أكثر تقدمًا ، يعتقد أنه قد يكون من الممكن قريبًا اختبار النتائج التي توصل إليها فريقه من خلال تجارب التلاعب بالجينات.
المصباح الجديد
الآلية الجينية للإضاءة الحيوية لها تطبيقات تتجاوز علم الأحياء التطوري. إذا تمكن العلماء من عزل الجينات لزوج لوسيفيرين وسيفيراز ، فيمكنهم هندسة الكائنات الحية والخلايا لتتوهج ، لأسباب مختلفة.
في عام 1986 ، قام علماء في جامعة كاليفورنيا ، سان دييغو ، بتعديل وإدخال جين لوسيفيراز اليراع في نبات التبغ. نُشرت الدراسة في مجلة Science مع صورة لأحد هذه النباتات متوهجة بشكل مخيف على خلفية مظلمة.
ومع ذلك ، لم ينتج النبات ضوءًا من تلقاء نفسه – فقد احتوى على لوسيفيراز ، ولكن كان من الضروري أن يُروى بمحلول يحتوي على لوسيفيرين حتى يتوهج.
بعد ثلاثين عامًا ، لا يزال العلماء غير قادرين على هندسة الكائنات الحية ذاتية الإضاءة وراثيًا لأنهم لا يعرفون مسارات التخليق الحيوي لمعظم لوسيفيرين. (الاستثناء الوحيد موجود في البكتيريا: لقد حدد الباحثون جينات “لوكس” التي تشفر نظام لوسيفيرين-لوسيفيراز البكتيري ، ولكن هذه الجينات تحتاج إلى تعديل لتكون مفيدة في أي كائن غير بكتيري.)
أحد أكبر الاستخدامات المحتملة للوسيفيرين ولوسيفيراز هو في أبحاث البيولوجيا الخلوية – فإدخالهما سيكون أقرب إلى تركيب الأضواء في الخلايا والأنسجة. قالت جينيفر بريشر ، أستاذة الكيمياء في جامعة كاليفورنيا ، إيرفين: “يمكن استخدام هذا النوع من التكنولوجيا لتتبع أي شيء من مكان الخلية ، إلى التعبير الجيني ، إلى إنتاج البروتين”.
قد تكون استخدامات جزيئات الإضاءة الحيوية مماثلة لتلك الخاصة بالبروتين الفلوري الأخضر ، الذي تم استخدامه لمتابعة مصير عدوى فيروس نقص المناعة البشرية ، وتصور الأورام وتتبع تلف الخلايا العصبية في مرض الزهايمر.
حاليًا ، يجب على الباحثين الذين يستخدمون لوسيفيرين لتجارب التصوير إنشاء نسخة اصطناعية أو شرائها بسعر 50 دولارًا لكل مليغرام. يمكن أيضًا أن يكون توصيل اللوسيفيرين المنتج خارجيًا إلى الخلايا أمرًا صعبًا إلى حد ما – وهي مشكلة لن تكون موجودة إذا كان من الممكن هندسة الخلايا لإنتاج لوسيفيرين الخاص بها.
بينما تضيق الدراسات الحديثة على العمليات التطورية والكيميائية لكيفية إنتاج الكائنات الحية للضوء ، لا يزال الكثير من عالم الإضاءة الحيوية في الظلام.
المصدر كوانتا