تجربة تطور الإشريكية القولونية طويلة الأمد

تمَّ تصميم تجربة تطوُّر الإشريكيَّة القولونيَّة على المدى الطويل كوسيلة للفحص التجريبي لصفات عملية التطوُّر الأساسيَّة، وتمثَّلت الأهداف الرئيسيَّة لهذه التجربة بمايلي:

• فحص آليات التطوُّر وديناميكيَّته بما في ذلك معدَّل التغيير التطوري
• دراسة تكرار التطوُّر
• فهم العلاقة بين التغيير على مستوى الأشكال الظاهرة والبنية الوراثيَّة بشكلٍ أفضل[7]

ولكن مع استمرار التجربة توسَّع نطاقها خصوصاً مع ظهور أسئلة جديدة في البيولوجيا التطوريَّة تحتاج للشرح والتفسير، من جهة أخرى قدَّم التطوُّر السكاني أسئلة وظواهر جديدة تحتاج للدراسة لا سيَّما مع تسارع التطور التكنولوجي والتقنيات المنهجيَّة والتجريبيَّة.[8]

لقد سمح استخدام جرثومة الإشريكيَّة القولونيَّة ككائن تجريبي بدراسة عدد كبير من الأجيال والأفراد في فترة زمنية قصيرة نسبيَّاً، بالإضافة لذلك ونظراً لاستخدام هذه الجرثومة لفترة طويلة توافرت مجموعة واسعة من الأدوات والبروتوكولات والإجراءات التجريبيَّة لدراسة تغيُّراته على المستويات الوراثية والشكليَّة والفيزيولوجيَّة [9]، يمكن أيضاً تجميد هذه الجراثيم والحفاظ عليها مع بقائها قابلة للحياة، وقد سمح ذلك بما يمكن تسميته «سجل أحفوري متجمد» لعيِّنات من المجموعات التطوريَّة التي يمكن إحياؤها في أي وقت، ويسمح هذا السجل الأحفوري المتجمد أيضاً بإعادة تشغيل التجربة والبدء فيها من جديد عند حدوث تلوث في العينة أو أي خلل آخر في التجربة، ويسمح كذلك بعزل ومقارنة النماذج الحيَّة من الكائنات المستنسخة السلفيَّة والمتطوِّرة.

في هذه التجارب أيضاً أختيرت جراثيم الإشريكيَّة القولونية التي تتكاثر بطريقة لا جنسيَّة وتفتقر إلى أي بلازميدات تسمح لها بالترابط الجرثومي فيما بينها، ونتيجةً لكلِّ ذلك لا يحدث التطوُّر في هذه التجربة إلا عن طريق العمليَّات التطوريَّة الأساسيَّة وهي الطفرات والانتقاء الطبيعي والانحراف الوراثي.[7]

اختار القائمون على التجربة أيضاً أوساط زرع ونمو للجراثيم تحتوي على حد أدنى من الغلكوز[10]، وذلك لتبسيط دراسة التطور من خلال تقليل التداخل النسيلي وتقليل إمكانيَّة تطوُّر التفاعلات البيئيَّة أيضاً، يدعم هذا التركيز من الغلكوز حياة ونمو حد أقصى من الجراثيم يُقدَّر بنحو 500 مليون خليَّة جرثوميَّة في كلِّ 10 مل.[11][12]

تمَّت دراسة وتحليل نتائج هذه التجارب على نطاقٍ واسع لمعرفة التغيُّرات الحاصلة في السلالات الجديدة مقارنةً بالسلالات الأصلية، في البداية أظهرت الأجيال المُبكِّرة من الجراثيم تكيُّفاً وتلاؤماً بيئياً كبيراً لكنَّ هذا التكيُّف تناقص بمرور الوقت، وبعد 2000 جيل كان معدَّل زيادة أعداد الجراثيم أسرع بنسبة 70% من السلالات الأصلية، واستمرَّت هذه الزيادة في الأجيال اللاحقة، ففي الدراسة التي قام بها وايزر وآخرون عام 2013 لاحظوا أنَّ التحسُّن مازال موجوداً عند 50 ألف جيل مقارنةً بالعينات المعزولة عند 40 ألف جيل، وأكَّدوا أنَّ هذه الزيادة ستستمر دون تقييد بعد أن تمَّ عزل الطفرات المسؤولة عنها ضمن المجموعات الجرثوميَّة[7]، وفحصت دراسة جديدة نشرت عام 2015 نتائج أكثر من 1100 تجربة جديدة وفحصت التكيِّف الحيوي عند 60 ألف جيل وخلصت إلى نفس النتائج السابقة، وهكذا وصل الباحثون إلى خلاصة مفادها أنَّه وبخلاف الاعتقادات السابقة فإنَّ التكيف سيبقى في زيادة مستمرَّة إلى أجلٍ غير مُسمَّى حتى ضمن بيئة حيوية ثابتة.[6][11]

من بين السلالات الجرثوميَّة ال12 المستخدمة في التجربة تمَّ الإبلاغ عن إصابة ستَّة منها بعيوب في قدراتها على إصلاح الحمض النووي، ممَّا زاد بشكلٍ كبير من معدَّل الطفرات في تلك السلالات[13]، على الرغم من أنه يُعتقد أن هذه الجراثيم في كل سلالة من السلالات قد ولَّدت مئات الملايين من الطفرات على مدى الأجيال العشرين الأولى فقط ولكنَّ تقديرات العالم لينسكي المُشرف على التجربة وجدت أنه خلال هذا الإطار الزمني كان الطفرات المفيدة فقط هي حوالي 10 إلى 20 طفرة في كل سلالة من السلالات، وجدت دراسة باريك وزملائه التي نشرت في عام 2009 أنه وعلى عكس الانخفاض في معدَّل تحسين التكيُّف فإنَّ تراكم الطفرات كان مُستمراً على الرغم من أنَّ العديد من الأدلَّة تشير إلى أنَّ الكثير من هذا التراكم كان مفيداً وليس محايداً.[14][15]

أظهرت كل المجموعات التجريبيَّة الإثني عشر زيادة في حجم الخليَّة الجرثوميَّة تزامناً مع انخفاض الكثافة الجرثوميَّة القصوى، كان هذا التغيير جزئياً إلى حدٍّ ما نتيجة طفرة غيَّرت من التعبير الجيني لأحد البروتينات المرتبطة بالبنسلين والذي سمح للجراثيم المتحولَّة «الطافرة» بالتغلُّب على الجراثيم الأصلية في ظلِّ ظروف التجربة طويلة الأمد، ومع ذلك وعلى الرغم من أنَّ هذه الطفرة زادت من لياقة الخلايا الجرثومة وتكيفها مع هذه الظروف ولكنَّها زادت أيضاً من حساسيتها للتغيُّرات الأسموليَّة وقلَّلت من قدرتها على البقاء لفترات طويلة في بيئة ثابتة.[16]

على مدار التجربة طوَّرت الجراثيم تخصُّصاً بيئيَّاً في اعتمادها على الغلكوز كمورد أساسي ووحيد للنمو، وتمَّ وصف ذلك لأوَّل مرة عام 2000 عندما أثبت كوبر ولانسكي أنَّ جميع السلالات الجرثوميَّة تعرَّضت لتدهور في وظائف الاستقلاب غير المستخدمة بعد 20 ألف جيل الأمر الذي حدَّد من الموارد التي يمكن أن تنمو عليه الجراثيم، وأشارت هذه الدراسة إلى أنَّ الطفرات التي حسنَّت من قدرة الجراثيم في الاعتماد على الغلكوز كمصدر للغذاء أضعفت بل وقضت أيضاً على قدرتها في النمو اعتماداً على مواد وموارد أخرى[17]، في حين أظهرت دراسة لاحقة أجراها ليبي وماركس واعتمدت على تقنيَّات أكثر تطوُّراً أنَّ فقدان الوظائف غير المُستخدمة لم يكن واسع النطاق كما كان يُعتقد سابقاً، بل أكثر من ذلك وجدت أنَّ بعض الوظائف غير المستخدمة قد تحسَّنت، وكانت نتيجة هذه الدراسة أنَّ النقص في الوظائف الاستقلابيَّة لم يكن بسبب الطفرات المفيدة بل بسبب تراكم الطفرات المحايدة في الأجزاء غير المستخدمة من المادة الوراثيَّة ممَّا يشير إلى أنَّ التكيُّف مع بيئة بسيطة مستقرَّة قد لا يؤدي إلى التخصُّص البيئي.[18]

• بوابة الولايات المتحدة
• بوابة علم الأحياء
• بوابة علم الأحياء التطوري