اختراق الجدار الخلوي لتوصيل الحمض النووي بكفاءة إلى الدياتومات

الطحالب كمصانع خضراء مصغّرة

الدياتومات — طحالب مجهرية تعوم في المحيطات — تنتج بصمت نحو خمس الكتلة العضوية على الكوكب، وتساعد على تغذية سلاسل الغذاء البحرية وحجز غاز ثاني أكسيد الكربون. يرغب العلماء في تحويل هذه الكائنات المتينة سريعة النمو إلى مصانع خضراء مصغّرة لإنتاج الوقود والأغذية والمواد الكيميائية المتخصصة. لكن ثمة عقبة كبيرة: من الصعب بشكل مدهش إدخال حمض نووي جديد إلى خلايا الدياتومات بشكل موثوق. تتناول هذه الدراسة تلك المشكلة العملية مباشرة، بوصف طرق جديدة لتمرير التعليمات الجينية وأدوات تحرير الجينوم عبر الجدار الخارجي الصلب للدياتومات.

تليين غلاف ميكروبات المحيط

تركز العمل على الدياتومة النموذجية Phaeodactylum tricornutum، المفضلة في المختبرات لأن جينومها مُؤطَّر جيدًا ولأن لديها بالفعل بعض الأدوات الجينية الأساسية. افترض الباحثون أن الجدار الخلوي، وهو الحاجز الفيزيائي الأول الذي يجب على أي حمض نووي عبوره، كان عنق زجاجة رئيسيًا. بمعالجة الخلايا بمادة إنزيمية تسمى ألكالاز، أزالوا هذا الجدار جزئيًا أو كليًا، مكوّنين «سفيروبلاستات» و«بروتوبلاستات» هشة يسهل اختراقها بكثير. عندما استخدموا بعد ذلك التحريض الكهربائي — نبضات كهربائية قصيرة تفتح مسامًا مؤقتة — قفز عدد التحويلات الناجحة بشكل كبير، بنحو درجتين من العظمة مقارنة بالطرق السابقة. حتى كميات ضئيلة من الحمض النووي، قدرها نانوجرام واحد، كانت كافية لاستعادة خلايا مهندَسة.

توصيل سريع للحمض النووي بدون المرور عبر البكتيريا

تعتمد الطرق التقليدية لتعديل الدياتومات غالبًا على «سعاة» بكتيريين لنقل جزيئات حمض نووي حلقية كبيرة تُسمى إبزومات إلى الطحالب. وبينما تكون فعّالة، فإن هذه المقاربة بطيئة وتتطلب مهارة تقنية ويمكن أن تزعزع تراكيب الحمض النووي الحساسة. تُظهر البروتوكولات الجديدة أن كلًا من التحريض الكهربائي وطريقة كيميائية محسَّنة باستخدام بولي إيثيلين جليكول (PEG) يمكنها نقل الإبزومات مباشرة إلى الدياتومات، متجاوزةً خطوة البكتيريا. بشكل ملحوظ، تم توصيل واسترداد إبزومات بطول يصل إلى 55.6 ألف زوج قاعدي سليمة. عملت نفس الاستراتيجيات أيضًا في نوع ثانٍ، Thalassiosira pseudonana، الذي لديه جدار معدني أكثر كثافة، مما يشير إلى أن هذه الأدوات مفيدة على نطاق واسع وليست خدعة خاصة بنوع واحد.

ترك الخلية تبني دوائرها الوراثية بنفسها

أثناء استقصاء سلوك الحمض النووي المحرض كهربائيًا داخل الخلايا، عثر الفريق على قدرة مفاجئة: تستطيع الدياتومات خياطة قطع الحمض النووي معًا بنفسها. دخلت قطع خطية من الإبزومات إلى الخلية وتم إصلاحها إلى دوائر إما عبر ربطٍ غير متطابق «غير متماثل الطور» أو عبر إصلاحٍ أكثر دقة موجه بالتشابه «مدفوع بالتجانس». أطلق المؤلفون على هذه العملية اسم «التجميع داخل الجسم الحي في الدياتومات»، أو DIVA. عبر تصميم قطع متداخلة، حثّوا الخلايا على تجميع قطعتين أو ثلاث أو أربع قطع إلى إبزومات كاملة بمعدلات نجاح عالية، وأحيانًا دمجت قَصاصات تركيبية صغيرة تضيف وسمًا فلوريًا أو وظائف جديدة. تحول هذه القدرة نواة الدياتومة إلى ورشة عمل مصغّرة للحمض النووي، وقد تحل محل خطوات التجميع المجهدة التي كانت تُجرى عادة في الخميرة أو E. coli.

تحرير الجينومات باستخدام مركبات بروتينية فقط

بعيدًا عن إضافة الإبزومات، أظهر الباحثون أنهم قادرون على توصيل مركبات بروتينية–RNA جاهزة من نظام CRISPR–Cas9 مباشرة إلى خلايا الدياتومات باستخدام طريقة التحريض الكهربائي المحسنة لديهم. باستهداف جين يُدعى PtAPT، الذي يتحكم في الحساسية لمُشابِه الأدينين السام، ولّدوا آلاف الطفرات المقاومة دون إدخال أي حمض نووي إضافي في الجينوم. حمل العديد من هذه الطفرات إدخالات أو حذوفات صغيرة في موقع الهدف؛ وبعضها التقط حتى أجزاء من «حمض نووي ناقل» كانت قد أُضيفت لتمويه الصدمة الكهربائية. ثم شارك الفريق في توصيل مركبات CRISPR وإبزومات في خطوة واحدة، فوجدوا أن نحو مستعمرة واحدة من كل عشر مستعمرات احتوت على تعديل جينومي وإبزوم قابل للاختيار — طريقة فعّالة لتتبع تغييرات جينية غير مرئية خلاف ذلك.

نحو دياتومات مصممة من أجل مستقبل مستدام

لغير المتخصصين، الرسالة الرئيسية هي أن الدياتومات تقترب كثيرًا من أن تصبح كائنات عملية قابلة للبرمجة. عبر تكسير أو تليين الجدار الخلوي بلطف، حوّل المؤلفون عملية متقلبة ومنخفضة العائد إلى خط أنابيب قوي يستخدم كميات صغيرة من الحمض النووي، ويعمل مع تراكيب جينية كبيرة، ويتيح حتى للخلية تجميع وتحرير حمضها النووي بنفسها. تقصر هذه التطورات المسافة بين التسلسل المصمم بالحاسوب والسلالة الحية المختبرة. على المدى الطويل، قد تسرّع هذه الأدوات الجهود لبناء دياتومات ذات كروموسومات تركيبية بالكامل واستغلال هذه الميكروبات البحرية لإنتاج وقود أنظف وكيمياء صديقة للمناخ واكتشافات بيولوجية جديدة.

الاستشهاد: Walker, E.J.L., Pampuch, M., Deng, L. et al. Breaking the cell wall for efficient DNA delivery to diatoms. Nat Commun 17, 1848 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68562-6

الكلمات المفتاحية: تقنية الدياتومات الحيوية, التحول الجيني, تحرير الجينوم بواسطة كريسبر, علم الأحياء التركيبي, هندسة الطحالب الدقيقة