علماء الأحياء الجزيئية: لنعيد الاتصال بالطبيعة

رحلة تشارلز داروين على HMS بيجل أدت إلى كنز من الملاحظات: سلوك الحبار ، دبور النمس الطفيلي الذي يتغذى داخل اليرقات الحية ، حفريات الكسلان العملاق المنقرض و “المستودون”. وكانت النتيجة بالطبع هي نظريته في الانتقاء الطبيعي.

احتاج داروين إلى العالم الطبيعي المعقد لإلهام نظريته. يركز علماء الأحياء الجزيئية اليوم عادة على كائنات حية معينة في عزلة وفي بيئات يتم التحكم فيها بعناية والتي تحتوي على أقل عدد ممكن من المتغيرات. من المؤكد أن هذا قد أسفر عن اكتشافات مذهلة: لقاحات الحمض النووي الريبي ضد COVID-19 ، والتلألؤ البيولوجي لمراقبة الأورام ، والتسلسل الجيني لإنتاج محاصيل أفضل ، وأكثر من ذلك.

علماء الأحياء الجزيئية ، بمن فيهم أنا ، يدرسون العالم على أصغر المقاييس: الكروموسومات ، الهياكل الخلوية ، البروتينات ، المستقلبات. ولكن في كثير من الأحيان ، يحرمنا هذا التركيز ومختبراتنا التي يتم التحكم فيها جيدًا من الصورة الكاملة. نحن نفتقد نطاق التباين الجيني وكيف يتوسط ذلك الاستجابات الفسيولوجية والسلوكية للتقلبات البيئية ، لدى الأفراد وكذلك في مجموعات الكائنات الحية وعبر النظم البيئية. لم يتم استكشاف كيفية حدوث “صراع داروين من أجل الحياة” إلى حد كبير على المستوى الجزيئي. من وجهة نظري ، يجب على علماء الأحياء الجزيئية والخلوية العودة إلى العالم لدراسة الحياة في سياقها الطبيعي.

هذا العام ، أطلق المختبر الأوروبي للبيولوجيا الجزيئية (EMBL) ، الذي أعمل مديرًا عامًا له ، برنامجًا يسمى الجزيئات إلى النظم البيئية الذي سيتبع طرقًا جديدة للقيام بذلك بالضبط. على سبيل المثال ، سوف نتعاون مع علماء البيئة وعلماء الحيوان وعلماء البيئة وعلماء الأوبئة. ونخطط لإطلاق مختبرات متنقلة بأحدث التقنيات الجزيئية لاستكشاف واجهات بين الأرض والمياه في جميع أنحاء أوروبا – المناطق التي تؤوي الملوثات وجيوب مقاومة مضادات الميكروبات.

علماء الأحياء الجزيئية معتادون على تعدد التخصصات: ننشر فيزياء الأشعة السينية والفحص المجهري الإلكتروني لدراسة الحمض النووي والحمض النووي الريبي والبروتينات ؛ الكيمياء لفهم المسارات الأيضية. والمعلوماتية لتحليل التباين ، بما في ذلك الجينومات وتعديلاتها اللاجينية. يمكننا قياس المستقلبات على مستوى الخلية المفردة ، ونستخدم التألق لتحديد عضيات الخلية والجزيئات الكبيرة في الأنظمة متعددة الخلايا. تدمج هذه البيانات التباين الجيني مع التباين الظاهري في الخلايا الفردية ، مما يكشف عن الارتباطات التي توضح كيفية عمل الميكروبات (والخلايا الأخرى) في ظروف مختلفة.

على سبيل المثال ، في العوالق المحيطية ، تؤدي بعض مضيفات الطحالب الدقيقة التكافلية إلى التوسع في آلات التمثيل الضوئي المتكافئة لزيادة إنتاج الكربون ، مما يعزز النجاح البيئي في المياه الفقيرة بالمغذيات. القدرة على ثقافة التعايش مع الحياة الحرة التي تحاكي الموائل الدقيقة للمضيف ، وفهم كيفية تحول التمثيل الغذائي والتشكل ، يمكن أن تحفز التفكير الجديد حول تثبيت الكربون.

كما سيسمح التقدم التكنولوجي للباحثين باستكشاف الكائنات الحية من السواحل البركانية إلى أعماق المحيطات. سيوفر أخذ العينات في المواقع التي تتنوع في درجة الحموضة والتلوث والمغذيات والملوحة رؤى ثاقبة في التنوع البيولوجي وكيف تؤثر التغييرات الطبيعية والتغيرات التي من صنع الإنسان عليه. غالبًا ما تكون مسارات التمثيل الغذائي في قلب التغيير الناجم عن البيئة. مثل هذا العمل يمكن وينبغي أن يلهم تحليل الأيض لتقييم كيفية عمل السموم ، أو حث التصوير البيولوجي عالي الإنتاجية لفهرسة التأثيرات المورفولوجية.

كل هذا يعني تطبيق أدوات البحث الأساسي – في البرية وفي المختبر – لفك شفرة الآليات الجزيئية التي تكمن وراء تقلب الكائنات الحية وبقائها. يتضمن البحث التعاوني في EMBL كيف تؤثر التغذية على النمط الظاهري لشقائق النعمان البحرية ، والتأثير المحتمل للميكروبات المثبتة للنيتروجين التي تسمى diazotrophs على المحيطات ، وكيف تغير المضادات الحيوية والأدوية الأخرى ميكروبيوم الأمعاء وصحة الإنسان.

أصبح استكشاف “الحياة في السياق” أكثر إلحاحًا من أي وقت مضى ، لأن هذا السياق يتغير بسرعة. في عام 2009 ، أشار عالم الأحياء الاصطناعية الأمريكي جيمس كولينز إلى مأساة التوقيت: قد يكون الجيل الأول من العلماء الذي يمتلك أدوات لمعالجة أبعاد التنوع البيولوجي على الأرض هو الأخير الذي لديه فرصة للقيام بذلك.

يعزز التعاون متعدد التخصصات أبحاث الجميع. على سبيل المثال ، كان نظام الذكاء الاصطناعي AlphaFold ، الذي يتنبأ بهياكل البروتين ثلاثية الأبعاد من تسلسل الأحماض الأمينية ، ثمرة عمل شارك فيه علماء الأحياء الهيكلية ومتخصصون في التعلم العميق. إنه يمنح الباحثين السبق في حل أي مشكلة تتعلق بهياكل البروتين. وبالمثل ، فإن الجهود التعاونية بين خبراء التعلم الآلي وعلماء الأحياء والأطباء تبني أدوات لتوجيه العلاجات المخصصة للسرطانات.

تعني هذه النجاحات أنه يجب على جميع العلماء العمل معًا لفحص التنوع الجيني والبيئي ، وكيف تؤثر التغييرات البشرية على الكوكب عليه. يمكن لعلماء الأحياء الجزيئية المساهمة في حل التحديات العالمية مثل التعامل مع تغير المناخ ، وإمدادات المياه الملوثة وأنظمة الغذاء غير المستدامة. على سبيل المثال ، يمكن أن يكون الفهم الجزيئي الأكبر للمجتمعات أو المحاصيل الميكروبية مصدر إلهام لمصادر غذائية بديلة ، أو يمكن للمواد الحيوية من الفطريات الفطرية أن تحل محل المواد التقليدية التي تساهم في انبعاثات الكربون.

يتطلب اكتساب رؤى حول كيفية عمل الكائنات الحية في ظل ظروف مختلفة منا تجاوز منطقة الراحة المعتادة لأبحاث المختبر – وإلقاء نظرة على مناطق مثل التربة القاحلة والأنهار والمدن الملوثة ، حيث يوجد “صراع حقيقي من أجل الحياة”. هذه المواقع الحاسمة تحتاج إلى معالجة.

مع حلول عام 2022 ، أود أن أطلب من كل عالم يقرأ هذا أن يفكر في كيفية استجواب السياق الطبيعي المتغير في أبحاثهم.

تضارب المصالح

EH هو المدير العام لـ EMBL ، منظمة الأبحاث الحكومية الدولية للبيولوجيا الجزيئية.

التعليقات

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.