الاركيا والاستجابة للاجهادات

تختلف الاركيا عن البكتريا في عدة أوجه وتقسم الاركيا اعتمادا على متطلباتها الحرارية الى محبة للبرودة Psychrophiles وتكون حرارتها المثلى 15 م◦ او اقل ، والمتحملة للبرودة Psychrotolerant والتي تكون حرارتها المثلى للنمو 20 – 30 م◦ ، اما المحبة لحرارة متوسطة فتعيش بحرارة مثلى 35 – 40 م◦ ، والمحبة للحرارة فتعيش في 50 -70 م◦ ، والمحبة لحرارة متطرفة Hyperthermophiles فتعيش بحرارة مثلى 80م◦ وأعلى، والبعض منها هوائية واخرى لا هوائية في انظمة بيئية مختلفة، تمتد من بيئات معتدلة الى بيئات متطرفة.

وتختلف استجابتها للاجهادات تبعا لذلك واغلب الاركيا تعيش في ظروف مجهدة، وبما انها تشكل حقلا مهما من ناحية التقنيات الحيوية خاصة التي تعيش تحت ظروف الاجهاد لذا سيتم تناول بعض هذه الجوانب.

الاركيا تمثل مجموعة اكتشفت بعد البكتريا وحقيقيات النواة والتي كانت معظم الأسس لتركيبها وآلياتها قد وضعت، لذلك فعند دراسة الاركيا يتم الاشارة الى انها مشابه لبدائية النواة او حقيقية النواة، وان كانت هذه المجموعة والتي تمثل الفرع الثالث من شجرة الحياة او الشكل الثالث للحياة هي ذات تراكيب خاصة بها، فهي مثلا في الكثير من الاحياء لا تمتلك جدار خلوي ولكن تحوي على S – layers لحمايتها، وكذلك يوجد في البعض منها هيكل خلوي بدائي يمكن ان يرتبط الى Chaperonin system ، كما ان لها طريقة خاصة في عمليات الانتساخ والترجمة وهي تشبه الموجودة في حقيقيات النواة وتشير التفاصيل للعلاقات التطورية الى انها اندمجت مع بعض أسلاف البكتريا السالبة لصبغة كرام لتكون الخلايا حقيقية النواة وبذا فهي تشابه حقيقية النواة أكثر من بدائية النواة.

الاجهاد الحراري

من اهم دفاعات هذه المجموعة هو تكوين الوصيفات Chaperons  وتضم الاركيا العديد من الافراد التي تعيش في درجات حرارية متطرفة فمثلا Sulfolobus تكون الحرارة المثلى لها 70 – 80 م◦ وبرقم هيدروجيني اقل من 2-4 اما الجنس Thermoplasma والتي لا تحوي على جدار خلوي فتعيش بدرجة حرارة 55 م◦ ورقم هيدروجيني امثل 2.

وتحوي الاركيا على بروتينات الصدمة الحرارية ومنها Hsp70 الذي سجل في 1991 في Methanosarcina mazei التي تعيش بحرارة مثلى 37 م◦ ثم تلا ذلك في Halobacterium marismortui (الاسم الحديث Haloacola) وهي محبة لحرارة متوسطة ولكنها محبة لملوحة متطرفة. ويوجد Hsp70 في احياء تعيش بحرارة 45 او 55 م◦ وهذا يشير الى وجود هذه الوصيفات في الاحياء عامة، ولكنها لم توجد في الاحياء التي تعيش بدرجات حرارية اعلى من 80 م◦ او أكثر اي المحبة لحرارة متطرفة.

وتحوي الاركيا على بروتينات اخرى ترافق Hsp70 مثل Hsp23 (DnaJ ) Hsp40 (GrpE) ويكون ترتيب الجينات في الاركيا مشابه لما موجود في البكتريا الموجدة لصبغة كرام وكالآتي :

5' - grpE-hsp70-hsp40 – 3'

وقد توجد اختلافات بين افراد الاركيا في التسلسل كما في الاحياء الاخرى في الفواصل بين الجينات، ويعتقد ان الجين hsp70 انتقل الى الاركيا من البكتريا عن طريق النقل الافقي لأنه لا يوجد في كل الاركيا. وهذه الجينات تستجيب للصدمة الحرارية وانتساخ النسخ وانتاجها Transcripts يكون بشكل منفصل Monocistronic مثل الخلايا حقيقية النواة وتستمر الاستجابة فيها لمدة أطول مما هي في البكتريا. وتستجيب هذه الجينات بالإضافة الى ارتفاع درجة الحرارة الى وجود ايون الكادميوم Cd⁺⁺ والامونيا كما هو متوقع بالنسبة لبروتينات الصدمة الحرارية وتداخلاتها في أكثر من مسار او استجابة. وهذا يشير الى ان Hsp70 في الاركيا هو خليط من صفات البكتريا وخلايا حقيقيات النواة وذلك لان الاركيا لا تستعمل العامل سيكما للتغيير في عمليات الانتساخ كما في البكتريا لأنها لا تحوي على عوامل سيكما، وانما تستعمل عوامل انتساخ من النوع الخاص بالخلايا حقيقية النواة مثل TBp و TFII p . ومن جهة ثانية فان تسلسل الحوامض الامينية في بروتينات Hsp70 مشابه لتوالياته في البكتريا الموجبة لصبغة كرام الى حد كبير, ولكن يختلف في الممهدات واشارات الانتساخ الى تكون مشابه للخلايا حقيقية النواة.

وينتشر Hsp70 في الاركيا (ولكن ليس بشكل مطلق) فهو يوجد في الاجناس المولدة للميثان سواء المحبة لحرارة متوسطة او حرارة عالية ولكن وجوده ليس مطلقا، وغيابه يؤدي الى غياب البروتينات المرافقة وهي GrpE , Hsp40 ويعتقد ان البروتينات الثلاثة انتقلت من البكتريا (دفعة واحدة) ولكن توالي الاشارة لها ليس من النوع البكتيري. والأركيا وان كانت من خلايا بدائية النواة الا انها لا تحوي على Hsp60 وانما تحوي على Chaperonin complex المشابه لذلك الموجود في السائل الخلوي لحقيقيات النواة ويتكون المعقد من جزأين Chaperonin I وهو مكون من GroEL (groEL) و (groES) GroES ويسمى في بعض الاركيا TF-55 كما في Sulfolobus shibatae.

وتجمع الجزء الكبير (L) مع الجزء الصغير (S) يؤدي الى تكوين التركيب البرميلي. ويعمل (DnaK) Hsp70 ومرافقاته في المراحل الأولى من تخليق البروتينات لمنع تجمع البيبتيدات الناشئة اثناء عملية الترجمة، ثم تصل الى المعقد GroE/L لتكملة عملية الطوي النهائية. وفي الواقع فان ليست كل البروتينات تحتاج الى المعقد الاخير ولكن يوجد تعاون بين Hsp70 و GroE/L لإعطاء الوظيفة المميزة لها.

Chaperonin II في الاركيا يشابه (Tailless complex polypeptide 1) TCP-1 ومشتقاته الموجود في حقيقيات النواة، والذي يوجد في المايتوكوندريا والبلاستيدات الخضر، والجينات المسئولة عنه موجودة في النواة. و Chaperonin يسمى في بعض الانواع الجسم الحراري Thermosome الذي يكون بمثابة قفص متكون من 8 – 9 حلقات فهو في Thermoplasma acidophilum يتكون من نوعين من الحلقات متبادلة α و β ويصل وزنه الجزيئي الى 58 كيلو دالتون.

ولذلك يلاحظ ان الاركيا وهي التي تشكل موقعا خاصا في شجرة الحياة تحوي على ماكنة وصيفات مشابه لبدائية النواة, وتحوي على نظام Chaperonin من حقيقية النواة في خلية واحدة، اضافة الى ان تواليات البروتينات تكون مشابه لبدائية النواة والتنظيم مشابه لحقيقية النواة. واضافة الى تكوين الوصيفات وبروتينات الصدمة الحرارية تحت الاجهاد الحراري فان بعض افراد الاركيا تظهر انواع اخرى من المقاومة مثل Sulfolobus acidocaldarius تقوم بتغيير حركتها اعتمادا على الحرارة الملائمة ولذا تمثل الحركة استجابة لإجهاد وآلية للهروب من الحرارة  تتالب مع الاعلام والتفل القديم واستجابة الاستغاثة (على الاقل في دمير  المعوية

 والبعض منها موضح في الجدول (1)

القاتلة.

ونظرا لوجود التطرف في بعض انواع هذه المجموعة فيعتقد انه من الممكن استغلالها في الكواكب الاخرى وفي معاملة الفضلات التي لا يمكن التعامل معها بالأنظمة الحيوية المعتدلة.

تأثيرات اجهادات اخرى في الاركيا :

اجهاد الاشعاع : الاركيا تقاوم اجهادات اخرى هي بالإضافة الى انها تعيش بدرجات حرارية عالية مثل 75م◦ والبعض يعيش بدرجات اعلى من 100 م◦ فان مثل هذه الحرارة تعمل على تفكك DNA، كما أن التعرض للإشعاع يزيد من الاجهادات في الخلايا لذلك فان الاحياء التي تعيش في مثل هذه البيئات تحتاج الى أنظمة اصلاح غير مستحثه وانما دائمة. ويختلف تصرف الاركيا مع العوامل فمثلا Sulfolobus acidocaldarius التي تنمى في المختبر تكون حساسة جدا للأشعة فوق البنفسجية الاقصر من 300 نانومتر أكثر من E. coli  وتحث فيها الطفرات أكثر من E. coli، ولكن في الكائن الموجود في الطبيعة يحوي على نظام اصلاح ضوئي انزيمي DNA photolyases لإصلاح مزدوجات الثايمين الذي يصلح 80% من الاصابات والمجاميع الاخرى تمتلك أكثر من نظام لإصلاح ضرر الاشعة فوق البنفسجية.

ارتفاع الملوحة والحرارة : تستعمل الاركيا وسائل مشابه لحقيقيات النواة والبكتريا عند ارتفاع الضغط التنافذي. ولكن الاركيا تجمع مواد عضوية غير طبيعية. فهي تجمع الايونات اللاعضوية مثل البوتاسيوم بواسطة أنظمة في الأغشية الخلوية تقبط الايون بمعدلات عالية ولكن عند زيادته في الخلايا يصبح مضرا لها خاصة للتفاعلات الانزيمية. والأركيا على عكس البكتريا تمتلك تراكيز عالية من الايونات اللاعضوية وفي مقدمها ايونات البوتاسيوم تحت ظروف النمو الاعتيادية، وحتى في الاحياء غير المحبة للملوحة يكون تركيز ايون البوتاسيوم عاليا جدا ويصل الى أكثر من 0.5 مول وهذا يشير الى انه حتى تحت الظروف الطبيعية فان الخلايا تحتفظ بضغط تنافذي عالي عندما يكون ايون البوتاسيوم حر ولا يرتبط الى الجزيئات الكبيرة. اما في الخلايا المتحملة للملوحة فان تركيز الايون يختلف باختلاف تراكيز كلوريد الصوديوم وفي هذه الحالة يعد من التنافذيات التي تحمي الخلايا. وفي انواع اخرى من الاركيا يمكن ان تحوي على مواد اخرى تعاكس الارتفاع في تراكيز كلوريد الصوديوم.

اما في الاحياء غير المحبة للملوحة تكون عملية قبط ايون البوتاسيوم كاستجابة مبكرة نتيجة لزيادة تراكيز ايون الصوديوم ولكن سرعان ما يتعادل تأثير ايون البوتاسيوم المجتمع بتجميع الكلوتامات كأيون معاكس، اي ان تجمع ايون البوتاسيوم يكون بمثابة استجابة آنية ويستبدل بمركبات غير عضوية امفوتيرية مثل البرولين و (Glycine betain) GB.

اما في الانواع المحبة للملوحة فتجمع تراكيز عالية ايون البوتاسيوم ففي بعض الانواع Halobacterium spp يصل تركيز الايون الى 5 مول في الخلية ويكون هذا أكثر من ذوبان كلوريد البوتاسيوم KCl وهذا يعني ان جزءا يكون مرتبطا بالجزيئات الكبيرة والجزء الاكبر حرا في السائل الخلوي.

ولتفادي الضرر من زيادة ايونات البوتاسيوم طورت الاركيا بروتيناتها وانزيماتها لمواجهته وهذه البروتينات تكون غنية جدا بالحوامض الامينية الحامضية مثل حامض الكلوتاميك والاسبارتيك مقارنة بالحوامض الامينية القاعدية مثل الارجينين واللايسيين. وحتى الاركيا التي تعيش في ظروف ملحية معتدلة تكون انزيماتها وبروتيناتها ذات طابع حامضي. وذلك لان زيادة الحوامض الامينية الحامضية يؤدي الى اضفاء شحنة سالبة على سطح البروتين وؤيد الى منع طوي البروتينات الى الشكل غير الفعال ما لم يوجد ايون البوتاسيوم لمعادلة تأثير الشحنات. واضافة الى ذلك فان بروتينات الاحياء المحبة للملوحة تكون ذات كراهية للماء واطئة وهذا يؤدي الى تقليل الترسب بالأملاح Salting out بتأثير ايونات البوتاسيوم ويؤدي الى احتفاظ البروتينات بفعالياتها تحت ظروف ملوحة متطرفة.

ويمكن اجمال بعض الاجهادات المدروسة وبروتيناتها في الاركيا في الجدول الآتي (جدول 1).

جدول 1 : الاجهادات المؤثرة على الاركيا والبروتينات المشتركة في معالجة الاجهاد

المصادر

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