علماء يكتشفون بمحض الصدفة شفرة جينية تكسر قواعد الحياة

قادت تجربة روتينية شملت كائناً مجهرياً من بركة مياه عذبة العلماء إلى اكتشاف جيني استثنائي؛ إذ وُجد أن هذا المخلوق الصغير يفسر تعليمات الحمض النووي (DNA) بطريقة لم يوثقها الباحثون من قبل، مما يتحدى افتراضاً ساد طويلاً حول كيفية عمل الشفرة الجينية.

وجاءت المفاجأة عندما فحص العلماء طلائعياً غير معروف سابقاً يُدعى Oligohymenophorea sp. PL0344، حيث اتخذت إشارتان جينيتان—تخبران الخلايا عادةً بالتوقف عن بناء البروتينات—وظائف مختلفة تماماً. والأكثر لفتاً للانتباه هو إعادة تخصيص الإشارتين لحمضين أمينيين مختلفين، كاسرةً بذلك نمطاً اعتقد العلماء أنه مترابط تطورياً بشكل وثيق.

كشف هذا الاكتشاف، الذي نُشر في مجلة PLOS Genetics في أكتوبر 2023، عن مستوى غير متوقع من المرونة في أحد أكثر النظم البيولوجية رسوخاً في الحياة. كما كشفت الأبحاث اللاحقة عن تنوعات إضافية في الشفرة الجينية لكائنات دقيقة قريبة الصلة، مما يشير إلى أن العديد من المفاجآت قد تظل كامنة في العالم المجهري.

اكتشاف جيني بالصدفة في بركة مياه عذبة

توصل الدكتور جيمي ماكغوان، الذي كان باحثاً لما بعد الدكتوراه في معهد إيرلهام (Earlham Institute)، إلى هذا الاكتشاف أثناء دراسته لطلائعي جُمع من بركة في متنزهات جامعة أكسفورد بإنجلترا.

كان المشروع مصمماً في الأصل لاختبار طريقة لتسلسل الحمض النووي قادرة على تحليل كميات ضئيلة للغاية من المادة الوراثية، ربما من خلية واحدة فقط. وعمل ماكغوان إلى جانب علماء في معهد إيرلهام وفريق بحثي بقيادة البروفيسور توماس ريتشاردز في جامعة أكسفورد.

وبدلاً من دراسة تطور الشفرة الجينية، كان الباحثون يحاولون تحسين الأدوات المتاحة لدراسة الكائنات التي يصعب استزراعها وتحليلها داخل المختبرات.

ولكن عندما جمعوا جينوم الكائن وفحصوه، لاحظوا شيئاً غير متوقع؛ إذ ينتمي الطلائعي إلى نوع لم يُحدد سابقاً، وبدا أن تعليماته الجينية تعمل وفق مجموعة غير معتادة من القواعد.

وقال الدكتور ماكغوان: "لقد كان من قبيل المصادفة البحتة أن اخترنا هذا الطلائعي لاختبار خط أنابيب التسلسل لدينا، وهذا يوضح تماماً ما يزخر به العالم، مسلطاً الضوء على مدى ضآلة ما نعرفه عن جينات الطلائعيات".

ما هي الطلائعيات ولماذا هي غير اعتيادية إلى هذا الحد؟

تُعد الطلائعيات من بين أكثر مجموعات الكائنات الحية تنوعاً وأقلها فهماً على وجه الأرض. ويتكون العديد منها من خلية واحدة فقط وتكون متناهية الصغر لدرجة لا يمكن رؤيتها بدون مجهر. وتشمل الأمثلة المألوفة الأميبا، والطحالب المتنوعة، والدياتومات، وهي كائنات مجهرية توجد عادة في البيئات المائية.

ومع ذلك، فليست جميع الطلائعيات صغيرة الحجم؛ إذ تشمل هذه الفئة الواسعة أيضاً كائنات مثل عشب البحر، والفطريات الغروية، والطحالب الحمراء، والتي ينمو بعضها ليشكل هياكل كبيرة ومعقدة.

وهذه المجموعة شديدة التنوع لدرجة أن العلماء يعرفون أفرادها عموماً عن طريق استبعاد الفروع الرئيسية الأخرى للحياة.

وأوضح الدكتور ماكغوان: "إن تعريف الطلائعي فضفاض؛ فهو في الأساس أي كائن حي حقيقي النواة ليس حيواناً ولا نباتاً ولا فطراً. وهذا بالطبع عام جداً، وذلك لأن الطلائعيات مجموعة شديدة التنوع".

وتابع: "فبعضها أكثر قرابة للحيوانات، وبعضها الآخر أقرب للنباتات. وهناك منها المفترس والفريسة، والطفيلي والعائل، والسابح والمستقر، وهناك من يتغذى على أطعمة متنوعة بينما يقوم البعض الآخر بالبناء الضوئي. في الأساس، يصعب علينا وضع تعميمات محددة".

وحقيقيات النوى هي كائنات حية تحتوي خلاياها على نواة، وهي حجرة متخصصة تضم معظم مادتها الوراثية. وينتمي البشر والحيوانات الأخرى والنباتات والفطريات والطلائعيات جميعاً إلى هذه الفئة العريضة.

وينتمي الكائن الذي يتمحور حوله الاكتشاف إلى مجموعة من الطلائعيات تُعرف بالهدبيات (Ciliates). وعادةً ما تسبح هذه المخلوقات باستخدام تراكيب دقيقة تشبه الشعر تُعرف بالأهداب، والتي تتحرك بأنماط متناسقة لدفعها عبر الماء.

تنتشر الهدبيات على نطاق واسع في بيئات المياه العذبة والبيئات البحرية. كما أنها تثير اهتمام علماء الوراثة بشكل خاص لأن بعضها طور طرقاً غير معتادة لتفسير تعليمات الحمض النووي.

كيف تُخبر الشفرة الجينية الخلايا بموعد التوقف

لفهم سبب كون هذا الاكتشاف غير متوقع إلى هذا الحد، يجدر بنا فهم كيفية تحويل الخلايا للمعلومات الجينية إلى بروتينات.

يعمل الحمض النووي (DNA) كدليل إرشادي، حيث يخزن المعلومات التي تحتاجها الخلايا لبناء هياكلها والحفاظ عليها. ومع ذلك، يجب ترجمة هذه التعليمات إلى جزيئات مادية قبل أن تتمكن من أداء الوظائف البيولوجية.

تبدأ العملية عندما يُنسخ جزء من الحمض النووي إلى حمض نووي ريبوزي رسول (mRNA)، وهو جزيء ينقل التعليمات الجينية إلى آليات إنتاج البروتين في الخلية.

ثم يقرأ تركيب يُدعى الريبوسوم تسلسل الحمض النووي الريبوزي (RNA) بمعدل ثلاثة أحرف في كل مرة. وتُعرف كل مجموعة من ثلاثة أحرف باسم "الكودون" (Codon)، وتحدد معظم الكودونات أحد الأحماض الأمينية التي تُعد اللبنات الأساسية للبروتينات.

ومع ارتباط الأحماض الأمينية، فإنها تشكل سلسلة تنطوي في هيكل ثلاثي الأبعاد. وقد يعمل البروتين الناتج كإنزيم، أو يوفر دعماً هيكلياً، أو ينقل الجزيئات، أو يؤدي مهام خلوية أخرى لا حصر لها.

في تدوين الحمض النووي، يبدأ التسلسل المشفر للبروتين عادةً بكودون بدء (ATG) وينتهي بكودون توقف (عادة TAA أو TAG أو TGA).

تعمل كودونات التوقف هذه كعلامات ترقيم؛ إذ تُخطر الريبوسوم بأنه قد وصل إلى نهاية تعليمات بروتين معين وعليه تحرير السلسلة المكتملة.

وعندما تُنسخ التعليمات إلى الحمض النووي الريبوزي (RNA)، يُستبدل الحرف T بالحرف U. ونتيجة لذلك، تُكتب كودونات التوقف المقابلة في RNA كـ UAA و UAG و UGA.

عبر معظم أشكال الحياة، احتفظت هذه الإشارات بالوظائف الأساسية ذاتها لفترة طويلة للغاية من التاريخ التطوري.

لكن الطبيعة تجد أحياناً طرقاً للالتفاف على القواعد المعتادة.

علماء يكتشفون إشارتي توقف جينيتين بمعانٍ مختلفة

يعرف الباحثون منذ عقود أن بعض الكائنات الحية تستخدم نسخاً معدلة من الشفرة الجينية. ورغم أن هذه التنوعات غير شائعة في شجرة الحياة ككل، إلا أن الهدبيات غنية بالأمثلة على وجه الخصوص.

ففي بعض الهدبيات، تطورت كودونات التوقف لتشفر أحماضاً أمينية بدلاً من إنهاء إنتاج البروتين.

وحتى وقت قريب نسبياً، بدا نمط واحد متسقاً بشكل خاص: كان اثنان من كودونات التوقف التقليدية، وهما TAA و TAG، يحتفظان دائماً تقريباً بنفس المعنى؛ فعندما تتغير وظائفهما، كان كلاهما يحدد عموماً الحمض الأميني ذاته.

وأشار ذلك إلى أن الإشارتين كانتا مقيدتين بالتطور معاً.

ويوضح الدكتور ماكغوان: "في كل الحالات الأخرى تقريباً التي نعرفها، يتغير TAA و TAG معاً بالتزامن؛ فعندما لا يعملان ككودونات توقف، يحدد كل منهما الحمض الأميني ذاته".

إلا أن جينوم Oligohymenophorea sp. PL0344 روى قصة مختلفة.

فبدلاً من العمل كإشارات توقف، بدا أن TAA و TAG يشفران حمضين أمينيين مختلفين تماماً؛ إذ حدد TAA الحمض الأميني لايسين (Lysine)، بينما حدد TAG حمض الجلوتاميك (Glutamic acid).

وكلا الحمضين الأمينيين من المكونات الشائعة للبروتينات، لكنهما يمتلكان خصائص كيميائية وأدواراً بيولوجية مختلفة.

وفي الوقت نفسه، ظل TGA كودون التوقف التقليدي الوحيد في هذا الكائن.

ومثلت هذه النتائج أول مثال مسجل لشفرة جينية أُعيد فيها تخصيص كل من TAA و TAG لتشفير حمضين أمينيين مختلفين.

ويكتسب هذا التمايز أهمية كبرى لأنه يوضح أن العلاقة التطورية بين الكودونين ليست مقيدة بالقدر الذي افترضه العلماء.

وقال الدكتور ماكغوان: "هذا أمر غير معتاد للغاية. لا علم لنا بأي حالة أخرى ترتبط فيها كودونات التوقف هذه بحمضين أمينيين مختلفين. إن هذا يكسر بعض القواعد التي اعتقدنا أننا نعرفها عن ترجمة الجينات، حيث كان يُعتقد أن هذين الكودونين مقترنان دائماً".

كيف يُشغل هذا الكائن المجهري هذه الشفرة غير المعتادة

وكشفت التحقيقات الإضافية عن دلائل حول كيفية تمكن هذا الطلائعي من العمل بهذه التعليمات الجينية غير التقليدية.

حيث حدد الباحثون جينات متخصصة للحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA) مرتبطة بالكودونات المعاد تعيينها. وتعمل جزيئات الحمض النووي الريبوزي الناقل كمترجمين أثناء إنتاج البروتين، مما يساعد على مطابقة التعليمات الموجودة في الحمض النووي الريبوزي الرسول مع الأحماض الأمينية الصحيحة.

وقد دعم وجودها استنتاج أن الشفرة الجينية غير المعتادة كانت سمة حقيقية للكائن الحي وليست خطأً في التسلسل الجيني.

كما وجد الفريق عدداً كبيراً بشكل غير متوقع من كودونات التوقف TGA في مناطق الحمض النووي التي تلي التسلسلات المشفرة للبروتين مباشرة.

ومن الممكن أن تعمل إشارات التوقف الإضافية هذه كنظام نسخ احتياطي؛ فإذا واصل الريبوسوم القراءة عن طريق الخطأ متجاوزاً النهاية المقصودة للبروتين، فقد يمنعه كودون توقف ثانٍ من إطالة البروتين أكثر من اللازم.

وقد تكون هذه الحماية ذات قيمة خاصة في كائن حي يعتمد على واحد فقط من كودونات التوقف التقليدية الثلاثة.

ورغم أن الباحثين لم يتمكنوا من تحديد كيفية تطور هذه الشفرة غير المعتادة بدقة، فإن النتائج أثبتت أن الآلية المسؤولة عن ترجمة المعلومات الجينية يمكن أن تكون أكثر قدرة على التكيف بكثير مما كان يُعتقد سابقاً.

أبحاث المتابعة تكشف المزيد من مفاجآت الشفرة الجينية

كما فتح الاكتشاف الأصلي الباب أمام تساؤل أوسع: كم عدد الكائنات الدقيقة الأخرى التي تستخدم شفرات جينية لم يتعرف عليها العلماء بعد؟

في ديسمبر 2024، نشر ماكغوان وزملاؤه نتائج إضافية في مجلة PLOS Genetics تُظهر أن تغييرات غير معتادة في الشفرة الجينية قد حدثت بشكل مستقل في عدة سلالات هدبية أخرى.

وفحص الفريق المعلومات الجينية لمجموعة من الهدبيات تُعرف باسم Phyllopharyngea، بما في ذلك البيانات الجينومية التي جُمعت من خلال مشروع "تارا للمحيطات" (TARA Oceans)، وهو جهد دولي لدراسة الحياة البحرية وتنوعها الجيني.

وحدد تحليلهم ثلاثة أنواع من الهدبيات لم تُستزرع من قبل، والتي بدا فيها أن كودون UAG—وهو كودون توقف في العادة—يشفر حمض الليوسين (Leucine) بدلاً من ذلك.

وجاءت هذه الكائنات من عينات مرتبطة بالمحيط المتجمد الشمالي والمحيط الجنوبي.

كما فحص الباحثون قواعد بيانات جينومية موجودة وحددوا نوعين إضافيين من الهدبيات، هما Hartmannula sinica و Trochilia petrani، حيث بدا أن UAG يشفر الجلوتامين (Glutamine).

وأشارت المقارنات التطورية إلى أن هذه التغيرات نشأت بشكل مستقل في ثلاث مناسبات على الأقل.

ومن الأهمية بمكان أن الشفرات الجينية لم تكن متطابقة مع النظام غير المعتاد الموجود في Oligohymenophorea sp. PL0344؛ ففي الهدبيات الخمس التي فُحصت في بحث عام 2024، ظل UAA إشارة توقف بينما اكتسب UAG معنى مختلفاً.

ومع ذلك، قدمت النتائج دليلاً إضافياً على أن هاتين الإشارتين الجينيتين لا تضطران بالضرورة إلى التطور معاً دائماً.

وبدلاً من أن يكون الاكتشاف الأصلي مجرد حالة فردية مثيرة للفضول، فقد ساعد في تسليط الضوء على نمط أوسع بكثير من مرونة الشفرة الجينية بين الهدبيات.

العلماء يواصلون الكشف عن التنوع الخفي للطلائعيات

استمر البحث عن الجوانب البيولوجية غير المتوقعة في الكائنات المجهرية إلى ما هو أبعد من الشفرة الجينية نفسها.

ففي مارس 2026، أبلغ باحثون من معهد إيرلهام وجامعة أكسفورد عن اكتشاف آخر أتاحته التقنيات المصممة لتسلسل الخلايا الفردية.

وبحثت دراستهم المنشورة في مجلة Microbial Genomics في جنس Bodo، وهي مجموعة من الطلائعيات الشائعة الموجودة في المياه العذبة والمياه المسوسة والتربة.

ومن خلال تحليل سبع خلايا غير مستزرعة فقط، حدد العلماء ثلاث سلالات تطورية لم تكن معروفة من قبل، يرتبط كل منها بشريك بكتيري مميز يعيش داخل الكائن الحي.

ولم يُظهر هذا العمل نفس تغييرات الشفرة الجينية الموجودة في PL0344، بل أظهر بدلاً من ذلك حجم التنوع البيولوجي الذي يمكن أن يظل مخفياً عندما يعتمد الباحثون في المقام الأول على الكائنات التي يسهل استزراعها في المختبرات.

وإلى جانب اكتشافات الشفرة الجينية، تثبت هذه النتائج قيمة فحص الكائنات الدقيقة التي لم تحظَ باهتمام علمي كافٍ.

وقد تكشف تقنيات التسلسل الأفضل عن المزيد من الشفرات الجينية غير التقليدية، والعلاقات غير المتوقعة بين الكائنات الحية، وطرق عمل خلوية لم تكن معروفة سابقاً.

قد تمتلك الطبيعة المزيد من القواعد الجينية لكسرها

بالنسبة للعلماء، تقدم الشفرات الجينية غير المعتادة ما هو أكثر من مجرد غرائب بيولوجية؛ فهي تتيح فرصاً للتحقيق في سبب اتساق الشفرة الجينية عبر معظم أشكال الحياة، وكيف يمكن للتغيرات التطورية أن تعدل أحياناً تعليماتها الأساسية.

كما يمكن أن يفيد فهم هذه الاختلافات الطبيعية الجهود المبذولة في علم الأحياء التركيبي، حيث يحاول الباحثون تعديل الشفرات الجينية لمنح الخلايا قدرات جديدة أو تمكينها من إنتاج بروتينات ذات خصائص غير معتادة.

ومع ذلك، لا تزال القوى التطورية المسؤولة عن التنوع الاستثنائي للشفرات الجينية بين الهدبيات غير مفهومة بالكامل.

وما بدأ كتجربة تسلسل روتينية كشف في النهاية أن حتى بعض أكثر قواعد علم الأحياء رسوخاً تنطوي على استثناءات لافتة للنظر.

"يحاول العلماء هندسة شفرات جينية جديدة—لكنها موجودة بالفعل في الطبيعة. وهناك أشياء رائعة يمكننا العثور عليها إذا بحثنا عنها.

أو في هذه الحالة، عندما لا نكون نبحث عنها".

• موضوعات ذات صلة: النباتات والحيوانات | أنواع جديدة

• التكنولوجيا الحيوية والهندسة الحيوية

المواد مقدمة من معهد إيرلهام (Earlham Institute). ملاحظة: قد تخضع المواد للتحرير من حيث الأسلوب والطول.

• Jamie McGowan, Estelle S. Kilias, Elisabet Alacid, James Lipscombe, Benjamin H. Jenkins, Karim Gharbi, Gemy G. Kaithakottil, Iain C. Macaulay, Seanna McTaggart, Sally D. Warring, Thomas A. Richards, Neil Hall, David Swarbreck. Identification of a non-canonical ciliate nuclear genetic code where UAA and UAG code for different amino acids . PLOS Genetics , 2023; 19 (10): e1010913 DOI: 10.1371/journal.pgen.1010913

• Jamie McGowan, Thomas A. Richards, Neil Hall, David Swarbreck. Multiple independent genetic code reassignments of the UAG stop codon in phyllopharyngean ciliates . PLOS Genetics , 2024; 20 (12): e1011512 DOI: 10.1371/journal.pgen.1011512

• Sally D. Warring, Jamie McGowan, Estelle S. Kilias, James Lipscombe, Elisabet Alacid, Tom Barker, Leah Catchpole, Karim Gharbi, Seanna McTaggart, Thomas A. Richards, David Swarbreck, Neil Hall. Single-cell sequencing reveals unexpected genetic diversity among Bodo spp. flagellates and their bacterial endosymbionts . Microbial Genomics , 2026; 1