باکتری‌ها زمان‌سنج زیستی ۲۴ ساعته‌ دارند

در انسان، ریتم‌های شبانه‌روزی به‌عنوان نوعی ساعت زیستی در سلول‌ها عمل می‌کند و تقریبا تمامی فرایندهای بدن ما را تحت کنترل دارد؛ بر زمان خوابیدن و بیدار شدن اثر می‌گذارد و عملکرد متابولیسم و فرایندهای شناختی ما را تحت ‌تأثیر قرار می‌دهد. این وقت‌نگهدار درونی که حول چرخه‌ی ۲۴ ساعته در گردش است، توسط ساعت شبانه‌روزی ما هدایت می‌شود و همین پدیده در بسیاری از موجودات دیگر شامل جانوران، گیاهان و قارچ‌ها مشاهده شده است.

 برای مدت‌زمان طولانی مشخص نبود که باکتری‌ها هم به‌طور کلی تحت ‌تأثیر ریتم‌ شبانه‌روزی قرار دارند. این پدیده در باکتری‌های فتوسنتزکننده نشان داده شده است که از نور برای تولید انرژی شیمیایی استفاده می‌کنند؛ اما اینکه آیا انواع دیگر باکتری‌ها نیز ساعت شبانه‌روزی دارند، برای مدت‌ها یک معما بوده است. مارتا مرو، زیست‌شناس دانشگاه لودویگ ماکسیمیلیانز آلمان، می‌گوید:

برای اولین ‌بار دریافتیم که باکتری‌های غیر فتوسنتزکننده می‌توانند به‌نوعی زمان را تشخیص بدهند. آن‌ها با خواندن چرخه‌های نور یا دمای محیط، فرآیندهای مولکولی خود را با زمان روز تطبیق می‌دهند.

به‌ گزارش ساینس الرت، مرو و همکارانش در مطالعه‌ی  خود باسیلوس سوبتیلیس را مورد بررسی قرار دادند که باکتری مقاوم و به‌خوبی مطالعه‌شده‌ای است که در خاک و دستگاه گوارشی بسیاری از حیوانات از جمله انسان یافت می‌شود. باسیلوس سوبتیلیس فتوسنتزکننده نیست؛ اما به‌ علت دارا بودن گیرنده‌های نوری، به نور حساس است و طبق مشاهدات قبلی از این میکروب، فعالیت ژنی و فرایندهای تشکیل زیست‌لایه آن ممکن است در پاسخ به نشانه‌های محیطی چرخه‌ی روزانه‌ای را دنبال کند؛ مثلا براساس شدت نور اطراف یا تغییرات محیطی.

پژوهشگران برای بررسی این موضوع، فعالیت بیان ژن باکتری را در محیط‌های کشت‌ قرار گرفته در معرض تاریکی مداوم یا چرخه روزانه متناوب ۱۲ ساعت نور و ۱۲ ساعت تاریکی اندازه‌گیری کردند. در چرخه تناوبی نور/تاریکی، بیان ژنی به نام ytvA (کدکننده‌ی گیرنده‌ی نور آبی) در مرحله‌ی تاریکی افزایش و در مرحله‌ی نور کاهش یافت که نشان‌دهنده‌ی فرایندهای پیروی‌کننده از ساعت شبانه‌روزی است. وقتی باکتری در معرض تاریکی مداوم قرار گرفت، چرخه هنوز وجود داشت؛ اما دوره طولانی شد و بدون سیگنال نور، به‌طور دقیق از چرخه‌ی ۲۴ ساعته تبعیت نمی‌کرد.

پژوهشگران با توجه به نتایج تمام آزمایش‌ها، نتیجه‌گیری کردند باسیلوس سوبتیلیس دارای ساعت شبانه‌روزی است که به‌وسیله‌ی ریتم‌های شبانه‌روزی آزادگرد و پیروی سیستماتیک از نشانه‌های محیطی نشان داده می‌شود.

این یافته‌ فقط به یک گونه باکتری اشاره دارد؛ اما اولین ‌بار است که این پدیده در باکتری‌های غیر فتوسنتزکننده نشان داده می‌شود که می‌تواند به تغییر قابل ‌توجه درک کلی ما از باکتری‌ها منجر شود: موجوداتی که تقریبا ۱۵ درصد از ماده‌ی زنده زمین را تشکیل می‌دهند. آنتونی دود، پژوهشگر ساعت‌های شبانه‌روزی از مرکز ج‍ان‌ ای‍ن‍س بریتانیا، می‌گوید:

مطالعه‌ی ما در را به بررسی ریتم‌های شبانه‌روزی در کل باکتری‌ها می‌گشاید. اکنون که نشان داده‌ایم باکتری‌های غیر فتوسنتزکننده می‌توانند زمان را تشخیص بدهند، باید فرایندهایی که در باکتری‌ها موجب این ریتم‌ها می‌شوند، کشف کنیم و دریابیم که مزیت داشتن ریتم برای باکتری‌ها چیست.

پژوهشگران حدس می‌زنند که ریتم‌های شبانه‌روزی ممکن است به ‌طریقی با سیستم بازخورد ترجمه-رونویسی تنظیم شود یا با چرخه‌های متابولیک ارتباط داشته باشد. مشخص نیست که آیا ممکن است نوعی ساعت مرکزی، وقت‌نگهدار شبانه‌روزی باسیلوس سوبتیلیس را کنترل کند؛، همان‌طور که در انسان‌ها پیشنهاد شده است. پژوهشگران در مقاله‌ی خود می‌نویسند:

بررسی اینکه آیا دما و نور ورودی‌های ضربان‌ساز اصلی هستند یا باسیلوس سوبتیلیس  چندین نوسان‌ساز دارد،آموزنده است؛ همان‌طور که برای انواعی از ارگانیسم‌های تک‌سلولی و پرسلولی توصیف شده است. همچنین این امکان وجود دارد که باسیلوس سوبتیلیس یک نوسان‌گر اصلی یا یک یا چند نوسان‌ساز پایین‌دست داشته باشد که با ضربان‌ساز اصلی جفت می‌شوند و از آن تبعیت می‌کنند.

در هر صورت، کشف وجود ساعت زیستی ۲۴ ساعته در باکتری می‌تواند پیامدهای چشمگیری داشته باشد؛ نه فقط از نظر درک علمی زیست‌شناسی باکتری بلکه درزمینه‌ی کاربردهای بالقوه در علوم زیست‌پزشکی، کشاورزی، صنعت و موارد دیگر. آکوس کواکس، متخصص زیست‌مهندسی از دانشگاه فنی دانمارک، می‌گوید:

باسیلوس سوبتیلیس استفاده‌های مختلفی دارد؛ از تولید شوینده لباس گرفته تا محافظت از محصولات کشاورزی و پروبیوتیک‌های انسانی و حیوانی. بنابراین مهندسی ساعت بیولوژیکی این باکتری به حوزه‌های مختلف بیوتکنولوژی ختم خواهد شد.

یافته‌های این پژوهش در مجله‌ی Science Advances گزارش شده است.