علم الوراثة البكتيرية

في علم الوراثة البكتيرية، تُستخدم التقنيات الجينية لدراسة البكتيريا. ولا يختلف تطبيق التحليل الجيني على البكتيريا من حيث المبدأ عن تطبيقه على الكائنات الحية الأخرى. ومع ذلك، تختلف الطرق المتاحة اختلافًا كبيرًا.

بعض أنواع البكتيريا يسهل التلاعب بها جينيًا نسبيًا. ونتيجة لذلك، نعرف عن بعض أنواع البكتيريا أكثر مما نعرفه عن أي نوع آخر من الكائنات الحية. وفيما يلي وصف لبعض خصائص البكتيريا التي تُسهّل التجارب الجينية.

البكتيريا أحادية المجموعة الكروموسومية

إحدى المزايا الرئيسية للبكتيريا في الدراسات الجينية هي أنها أحادية المجموعة الكروموسومية. وهذا يعني أنها تحتوي على نسخة واحدة فقط، أو أليل واحد، من كل جين. هذه الخاصية تُسهّل كثيرًا تحديد الخلايا التي تحمل نوعًا معينًا من الطفرات.

في المقابل، فإن معظم الكائنات حقيقية النواة ثنائية المجموعة الكروموسومية، حيث تحتوي على أليلين من كل جين، أحدهما على كل كروموسوم متماثل. معظم الطفرات متنحية، أي أنها لا تُسبب نمطًا ظاهريًا في وجود نسخة سليمة من الجين. لذلك، في الكائنات ثنائية المجموعة الكروموسومية، لا يكون لمعظم الطفرات أي تأثير إلا إذا كانت كلتا نسختي الجين في الكروموسومين المتماثلين تحملان الطفرة. عادةً ما يتطلب إنتاج نسل ذي نمط ظاهري طافر إجراء تهجين عكسي بين كائنات مختلفة تحمل الطفرة، وحتى في هذه الحالة، لا يحمل الجين الطافر في كلا الكروموسومين المتماثلين إلا عدد قليل من نسل التهجين العكسي. أما في الكائنات أحادية المجموعة الكروموسومية، كالبكتيريا، فإن معظم الطفرات يكون لها تأثير فوري، ولا حاجة للتهجين العكسي.

أزمنة جيل قصيرة

من المزايا الأخرى لبعض البكتيريا في الدراسات الجينية قصر أزمنة جيلها. زمن الجيل هو المدة التي يستغرقها الكائن الحي للوصول إلى مرحلة النضج وإنتاج النسل. إذا كان زمن جيل الكائن الحي طويلًا جدًا، فقد يُحدّ ذلك من عدد التجارب الممكنة. تستطيع بعض سلالات بكتيريا الإشريكية القولونية التكاثر كل 20 دقيقة في الظروف المثالية. وبفضل هذا التكاثر السريع، يمكن بدء زراعة البكتيريا في الصباح وفحص النسل لاحقًا خلال اليوم.

التكاثر اللاجنسي

من مزايا البكتيريا الأخرى أنها تتكاثر لا جنسيًا عن طريق انقسام الخلايا. أما التكاثر الجنسي، الذي يتطلب تزاوج أفراد النوع الواحد لإنتاج نسل، فقد يُعقّد التجارب الجينية لأن النسل لا يكون مطابقًا لآبائه. وللحصول على سلالات نقية من كائن حي يتكاثر جنسيًا، يجب على الباحث تهجين الأفراد مرارًا وتكرارًا مع أقاربهم. بينما إذا تكاثر الكائن الحي لا جنسيًا عن طريق انقسام الخلايا، فإن جميع النسل يكون متطابقًا جينيًا مع آبائه ومع بعضه البعض. وتُسمى الكائنات المتطابقة جينيًا بالنسائل. تستطيع بعض الكائنات حقيقية النوى الدنيا، مثل الخمائر، وبعض أنواع النباتات، مثل زهرة النيل، التكاثر لا جنسيًا لتكوين نسخ متطابقة. فالتوائم المتطابقة، الناتجة عن انقسام البويضة بعد إخصابها، هي نسخ متطابقة. ورغم وجود أمثلة قليلة على استنساخ الثدييات عن طريق زرع خلية جسدية في المبيض، فإن البكتيريا تُكوّن نسخًا متطابقة من نفسها في كل مرة تنقسم فيها.

تنقية المستعمرات

تتيح قدرة بعض أنواع البكتيريا على تكوين مستعمرات من خلال تكاثر البكتيريا الفردية على الأطباق تنقية سلالات البكتيريا والطفرات على شكل مستعمرات. فإذا وُضع مزيج من البكتيريا يحتوي على طفرات أو سلالات مختلفة على طبق أجار، فإن كل بكتيريا أو سلالة طافرة في المجموعة تتكاثر لتكوين مستعمرات. البكتيريا. إذا تم انتقاء المستعمرات وتخفيف البكتيريا قبل إعادة زرعها، فقد تظهر مستعمرات منفصلة ناتجة عن تكاثر البكتيريا الفردية. بغض النظر عن مدى ازدحام البكتيريا على الطبق الأصلي، يمكن عزل سلالة نقية من البكتيريا في خطوة واحدة أو بضع خطوات لتنقية المستعمرات.

التخفيفات المتسلسلة

لحساب البكتيريا في مزرعة أو لعزل مزرعة نقية، غالبًا ما يكون من الضروري الحصول على مستعمرات منفصلة من البكتيريا. ومع ذلك، نظرًا لصغر حجم البكتيريا، تحتوي المزرعة المركزة على مليارات البكتيريا لكل ملليلتر. إذا تم زرع مثل هذه المزرعة مباشرة على طبق بتري، فإن البكتيريا تنمو معًا ولا تتشكل مستعمرات منفصلة. توفر التخفيفات المتسلسلة طريقة عملية لتخفيف محاليل البكتيريا قبل الزرع للحصول على عدد قابل للقياس من المستعمرات المنفصلة. المبدأ هو أنه إذا تكررت التخفيفات الصغيرة تباعًا، يمكن ضربها للحصول على التخفيف الكلي. على سبيل المثال، إذا تم تخفيف محلول على ثلاث مراحل بإضافة 1 مل من المحلول إلى 99 مل من الماء، ثم إضافة 1 مل من هذا التخفيف إلى 99 مل أخرى من الماء، وأخيرًا إضافة 1 مل من التخفيف الثاني إلى 99 مل أخرى من الماء، فإن التخفيف النهائي هو 10² × 10² × 10² = 10⁶، أو واحد في المليون. ولتحقيق نفس التخفيف في خطوة واحدة، يجب إضافة 1 مل من المحلول الأصلي إلى 1000 لتر (حوالي 250 جالونًا) من الماء. من الواضح أنه من الأسهل التعامل مع ثلاثة محاليل، كل منها بحجم 100 مل، بدلاً من التعامل مع محلول حجمه 250 جالونًا، والذي يزن حوالي 2000 رطل!

الانتقاء

ربما تكون الميزة الأكبر لعلم الوراثة البكتيرية هي إمكانية إجراء الانتقاء، والتي من خلالها يمكن عزل الطفرات النادرة جدًا وأنواع أخرى من السلالات. لانتقاء سلالة نادرة، تُزرع مليارات البكتيريا في ظروف لا تنمو فيها إلا السلالة المطلوبة، وليس معظم البكتيريا. تُسمى هذه الظروف عمومًا بالظروف الانتقائية. على سبيل المثال، قد تحتاج معظم البكتيريا إلى عنصر غذائي معين، ولكن ليس السلالة المراد انتقاءها. توفر أطباق الآجار الخالية من هذا العنصر الغذائي ظروفًا انتقائية للسلالة، حيث تتكاثر السلالة المراد انتقاءها فقط لتكوين مستعمرة في غياب هذا العنصر الغذائي. في مثال آخر، قد تتمكن السلالة المرغوبة من التكاثر عند درجة حرارة تقضي على معظم البكتيريا. يوفر حضن أطباق الآجار عند هذه الدرجة من الحرارة الظروف الانتقائية. بعد اختيار السلالة، يمكن انتقاء مستعمرة منها وتنقيتها من البكتيريا الملوثة الأخرى في ظل نفس الظروف الانتقائية.

إن قوة الانتقاء في التجمعات البكتيرية هائلة. باستخدام عملية انتقاء مصممة بشكل صحيح، يمكن اختيار بكتيريا واحدة من بين مليارات البكتيريا الموضوعة على طبق الآجار. لو استطعنا تطبيق مثل هذه الانتقاءات على البشر، لتمكّنا من العثور على أحد الأفراد القلائل في البشرية جمعاء ممن يمتلكون سمة معينة.

تخزين سلالات البكتيريا

يجب استنبات معظم أنواع الكائنات الحية باستمرار، وإلا فإنها تشيخ وتموت. يتطلب تكاثر الكائنات الحية نقلًا مستمرًا وتجديدًا لإمدادات الغذاء، وهو ما قد يستغرق وقتًا طويلًا. مع ذلك، يمكن تخزين أنواع عديدة من البكتيريا في حالة سكون، وبالتالي لا تحتاج إلى تكاثر مستمر. وتعتمد ظروف التخزين على نوع البكتيريا. فبعض البكتيريا تُنتج الأبواغ، لذا يمكن تخزينها على شكل أبواغ سكونية. بينما يمكن تخزين أنواع أخرى بتجميدها في الجلسرين أو تجفيفها. يُعد تخزين الكائنات الحية في حالة سكون مناسبًا بشكل خاص للتجارب الجينية، التي غالبًا ما تتطلب تراكم أعداد كبيرة من الطفرات والسلالات الأخرى. وتبقى هذه السلالات في حالة سكون حتى الحاجة إلى الخلايا، وعندها يمكن تنشيطها.

التبادل الجيني

تتطلب التجارب الجينية على الكائنات الحية عادةً شكلًا من أشكال التبادل. ومع ذلك، قد تكون هذه المستعمرات متقاربة جدًا بحيث لا يمكن فصلها، أو قد لا تزال تحتوي على خليط من سلالات مختلفة من تبادل الحمض النووي أو الجينات بين أفراد النوع الواحد. من المعروف أن معظم أنواع الكائنات الحية على الأرض تمتلك نوعًا من التبادل الجيني، والذي يُفترض أنه يُسرّع التطور ويزيد من قدرة النوع على التكيف.

يمكن أن يحدث تبادل الحمض النووي من بكتيريا إلى أخرى بإحدى ثلاث طرق. في التحول، يدخل الحمض النووي المُحرر من خلية إلى أخرى من نفس النوع. في الاقتران، تنقل البلازميدات، وهي جزيئات صغيرة من الحمض النووي تتضاعف ذاتيًا في الخلايا البكتيرية، الحمض النووي من خلية إلى أخرى. أخيرًا، في النقل الفيروسي، يلتقط فيروس بكتيري عن طريق الخطأ الحمض النووي من خلية أصابها ويحقنه في خلية أخرى. تُمكّن القدرة على تبادل الحمض النووي بين سلالات البكتيريا من إجراء التهجينات الجينية واختبارات التكامل، بالإضافة إلى الاختبارات الأساسية للتحليل الجيني.