نقل مسار تخليق وتنظيم السينكان يمكّن إنتاج بوليسكاريدات مرفقة بكبريتات في Synechococcus elongatus PCC 7942

تحويل ضوء الشمس إلى سكريات مفيدة

البوليسكاريدات المرفقة بكبريتات هي جزيئات طويلة مبنية على السكريات مع مجموعات كبريتات ملحقة بها تمنحها خصائص مميزة: قادرة على الاحتفاظ بكميات كبيرة من الماء، وتشكيل الهلام، والتفاعل مع خلايانا بطرق تجعلها مفيدة في الأدوية ومستحضرات التجميل. اليوم، كثير من هذه المركبات تُستخرج من حيوانات مثل الخنازير وأسماك القرش أو من الأعشاب البحرية، مما يثير قضايا تكلفة واستدامة وأخلاقية. تستكشف هذه الدراسة ما إذا كان يمكن إعادة برمجة ميكروبات ضوئية بسيطة—البكتيريا الزرقاء—لإنتاج هذه الجزيئات القيِّمة مباشرة من ضوء الشمس وثاني أكسيد الكربون، مما يشير إلى طرق أكثر استدامة لإنتاج مكونات عالية القيمة للصحة والصناعة.

لماذا تهم السكريات الخاصة

تلعب البوليسكاريدات المرفقة بكبريتات دوراً هادئاً لكن مهماً في حياتنا اليومية. متغيرات مثل الهيبارين تساعد على منع جلطات الدم، وتُضاف جزيئات ذات صلة إلى كريمات الجلد وقطرات العين لما لها من خواص مهدئة وقدرة على الاحتفاظ بالماء. صناعيًا، مع ذلك، لا تزال معظمها تُحصَل من الماشية والكائنات البحرية، مما يربط توافرها بتربية الحيوانات والصيد. من الممكن كيميائياً ربط مجموعات الكبريتات بالسكريات في مصنع، لكن ذلك مكلف، ويرجع السبب الرئيسي إلى أن جزيء مانح الكبريتات المنشط غالٍ الثمن. قد توفر خلية حية قادرة على تجميع كلٍ من سلسلة السكريات وزخارف الكبريتات بنفسها، باستخدام ضوء الشمس كمصدر للطاقة، بديلاً أنظف وأرخص.

البكتيريا الزرقاء كمصانع صغيرة للسكريات

البكتيريا الزرقاء هي كائنات دقيقة تعتمد على ضوء الشمس وغالباً ما تُسمى «طحالب زرقاء‑خضراء». تحيط العديد من الأنواع بنفسها بطبقات لزجة معقدة من السكريات يمكن أن تشمل بوليسكاريدات مرفقة بكبريتات. اكتشف المؤلفون سابقاً بوليسكاريدًا خارجيًا مرفقًا بكبريتات جديدًا، سُمّي السينكان، تصنعه بكتيريا زرقاء نموذجية، Synechocystis sp. PCC 6803. رَسَموا مجموعة كبيرة من الجينات—المسماة المجموعة xss—التي تبني السينكان وتتحكم في توقيت إنتاجه. في الدراسة الجديدة، تساءلوا عما إذا كان بالإمكان نقل هذا البرنامج الجيني بأكمله إلى بكتيريا زرقاء أخرى مدروسة جيدًا، Synechococcus elongatus PCC 7942، التي لا تُنتج عادة البوليسكاريدات المرفقة بكبريتات. لو نجح ذلك، لكان دليلًا على أن مثل هذه المسارات يمكن نقلها بين الميكروبات كأدوات معيارية.

استعارة وتثبيت مسار معقد

لتحقيق ذلك، قسّم الفريق نظام السينكان إلى جزأين رئيسيين: الجينات التي تبني وتفرز البوليمر السكري، والجينات التي تعمل كمفاتيح تشغيل وإيقاف لهؤلاء البناة. أدخلوا جينات التخليق في بلازميد ناقل ووضعوا جينًا رئيسيًا واحدًا تحت سيطرة محفز قوي قابل للتحفيز، بحيث يؤدي إضافة إشارة كيميائية (IPTG) إلى تحفيز الإنتاج. ثم دمجوا الجينات التنظيمية في موضع محايد في كروموسوم العائل، مرة أخرى تحت تحكم قابل للتحفيز. عندما شغَّلوا النظام، تباطأ نمو السلالة المعدّلة بشدة وبدأت الخلايا في التكتل. أظهر الفحص بالمجهر الإلكتروني مادة ليفية طويلة تغطي أسطح الخلايا. أظهر تلوين خاص يبرز البوليسكاريدات المرفقة بكبريتات تجمعات زرقاء واضحة خارج الخلايا، وأكدت التحاليل الكيميائية أن السكريات المرتبطة بالخلايا والمفرَجة خارجياً زادت مقارنة بالسلالات الضابطة.

كيف يبدو السكر الجديد داخليًا وخارجيًا

سأل الباحثون بعد ذلك ما إذا كانت المادة الجديدة تشبه السينكان فعلاً. بتحليل تحلل البوليمرات ومكوناتها الأساسية، وجدوا أن الخلايا المعدّلة أنتجت بوليسكاريدًا مرفقًا بكبريتات مكوَّنًا من الجلوكوز والجالاكتوز والمانوز، مع محتوى كبريتات مشابه للسينكان الأصلي لكن بنسبة سكريات مختلفة. على خلاف السينكان، الذي يُفرَج إلى السائل المحيط في الغالب، بقي جزء كبير من البوليمر الجديد مرتبطًا بسطح الخلية. يشير هذا إلى أنه رغم أن مجموعة الجينات المنقولة عملت، فإنها لم تُعيد إنشاء البُنية الأصلية تمامًا؛ بل إن أيض ونظام نقل العائل شكّلا منتجًا «شبيهًا بالسينكان». أظهر تسلسل RNA على مستوى الجينوم أن تشغيل جينات xss أعاد برمجة سلوك الخلايا على نطاق واسع: ارتفعت عوامل متعلقة بالإجهاد، انخفضت جينات التمثيل الضوئي وامتصاص المغذيات، وتعدّلت مسارات معالجة السكريات والكبريت، وكل ذلك متسق مع تحويل الخلايا للموارد لصنع غلاف خارجي يتطلب طاقة كبيرة.

البناء نحو تصميم جزيئي أخضر

من منظور عام، الرسالة الأساسية هي أن العلماء نجحوا في نقل آلة تخليق كبيرة مرتبطة بالغشاء—من ميكروب إلى آخر—وتمكنوا من جعل المتلقي يصنع نوعًا جديدًا من الطلاء السكري المرفق بكبريتات. المنتج ليس نسخة مطابقة للبوليمر الأصلي، لكن هذا الاختلاف مبشر في الواقع: فهو يبيّن أن التفاصيل الدقيقة لهذه الجزيئات يمكن ضبطها بتغيير خلية العائل والتصميم الجيني. على المدى الطويل، قد يتيح هذا النهج مصانع ميكروبية «تعمل بالطاقة الشمسية» تحول ثاني أكسيد الكربون والضوء والمواد المغذية البسيطة إلى مكتبات من بوليسكاريدات مرفقة بكبريتات مصممة حسب الطلب ذات قوام وأنشطة بيولوجية محددة، مما يقلل الاعتماد على المصادر الحيوانية ويفتح طرقًا جديدة للأدوية المستدامة ومستحضرات التجميل والأغذية الوظيفية.

الاستشهاد: Maeda, K., Ohdate, K., Sakamaki, Y. et al. Transfer of the synechan biosynthesis and regulatory pathway enables sulfated polysaccharide production in Synechococcus elongatus PCC 7942. Sci Rep 16, 13012 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46439-4

الكلمات المفتاحية: بوليسكاريدات مرفقة بكبريتات, هندسة الطحالب الزرقاء, بروتينات خارج الخلوية سكرية, التصنيع الحيوي الضوئي, علم الأحياء التركيبي