هل تتحور البكتيريا بشكل عشوائي، أم أنها تتحور لغرض ما؟ لقد ظل الباحثون في حيرة من أمرهم بشأن هذه اللغز لأكثر من قرن.
في عام 1943، عالم الأحياء الدقيقة سلفادور لوريا واخترع عالم الفيزياء الذي تحول إلى عالم الأحياء ماكس ديلبروك تجربة ليقول إن البكتيريا تتحور بلا هدف. وباستخدام اختبارهم، أظهر علماء آخرون أن البكتيريا يمكن أن تكتسب مقاومة للمضادات الحيوية التي لم تواجهها من قبل.
كان لتجربة لوريا-ديلبروك تأثير كبير على العلوم. ساعدت هذه النتائج لوريا وديلبروك على الفوز بجائزة نوبل في علم وظائف الأعضاء أو الطب عام 1969، ويتعلم الطلاب اليوم هذه التجربة في فصول علم الأحياء. لقد كنت أدرس هذه التجربة في عملي كخبير في الإحصاء الحيوي منذ أكثر من 20 عامًا.
وبعد عقود من الزمن، تقدم هذه التجربة دروسا لا تزال ذات صلة حتى يومنا هذا، لأنها تشير ضمنا إلى أن البكتيريا يمكن أن تطور مقاومة للمضادات الحيوية التي لم يتم تطويرها بعد.
ماكينات القمار ولحظة اكتشاف
تخيل أنبوب اختبار يحتوي على بكتيريا تعيش في المرق المغذي. المرق غائم بسبب التركيز العالي للبكتيريا بداخله. إن إضافة فيروس يصيب البكتيريا، المعروف أيضًا باسم العاثيات، إلى الأنبوب يقتل معظم البكتيريا ويجعل المرق صافيًا.
ومع ذلك، فإن إبقاء أنبوب الاختبار في ظروف مناسبة لنمو البكتيريا سيجعل المرق غائمًا مرة أخرى مع مرور الوقت. يشير هذا إلى أن البكتيريا طورت مقاومة ضد العاثيات وتمكنت من التكاثر.
ما هو الدور الذي لعبته العاثيات في هذا التغيير؟
يعتقد بعض العلماء أن العاثيات تحرض البكتيريا على التحور من أجل البقاء. واقترح آخرون أن البكتيريا تتحور بشكل روتيني بشكل عشوائي، وأن تطوير متغيرات مقاومة للعاثيات كان مجرد نتيجة محظوظة. عملت لوريا وديلبروك معًا لعدة أشهر لحل هذه المعضلة، لكن لم تنجح أي من تجاربهما.
في ليلة 16 يناير 1943، تلقت لوريا تلميحًا حول كيفية حل اللغز أثناء مشاهدة زميل لها وهو يفوز بالجائزة الكبرى في ماكينة القمار. وفي صباح اليوم التالي، سارع إلى مختبره.
تتألف تجربة لوريا من عدد قليل من الأنابيب والأطباق. يحتوي كل أنبوب على مرق مغذٍ يساعد البكتيريا بكتريا قولونية تتكاثر، في حين أن كل طبق يحتوي على مادة مغلفة بالعاثيات. تم وضع عدد قليل من البكتيريا في كل أنبوب ومنحها فرصتين لتوليد متغيرات مقاومة للعاثيات. يمكن أن يتحوروا في الأنابيب في غياب العاثيات، أو يمكن أن يتحوروا في الأطباق في وجود العاثيات.
في اليوم التالي، نقلت لوريا البكتيريا الموجودة في كل أنبوب إلى طبق مملوء بالعاثيات. وفي اليوم التالي، أحصى عدد المستعمرات البكتيرية المقاومة في كل طبق.
إذا طورت البكتيريا مقاومة ضد العاثيات من خلال التفاعل معها، فلا ينبغي أن يكون لدى أي من البكتيريا الموجودة في الأنابيب طفرات. ومن ناحية أخرى، فإن عدداً قليلاً فقط من البكتيريا ــ ولنقل 1 من كل 10 ملايين بكتيريا ــ ينبغي أن تفرز متغيرات مقاومة عندما يتم نقلها إلى طبق يحتوي على العاثيات. كل متغير مقاوم للعاثيات سينمو ليصبح مستعمرة، لكن البكتيريا المتبقية ستموت بسبب العدوى.
إذا طورت البكتيريا مقاومة بشكل مستقل عن التفاعل مع العاثيات، فإن بعض البكتيريا الموجودة في الأنابيب سيكون لها طفرات. وذلك لأنه في كل مرة تنقسم فيها البكتيريا في أنبوب، يكون هناك احتمال ضئيل لإنتاج متغير مقاوم. إذا كان الجيل الأول من البكتيريا هو أول من يتحور، فإن نصف البكتيريا على الأقل ستكون مقاومة في الأجيال اللاحقة. فإذا كانت إحدى البكتيريا في الجيل الثاني هي أول من يتحور، خشية أن يكون ثمن البكتيريا مقاومًا في الأجيال اللاحقة.
وكما هو الحال مع عمليات سحب الجوائز الصغيرة في ماكينات القمار، فإن طفرات الجيل المتأخر تحدث في كثير من الأحيان ولكنها تعطي متغيرات مقاومة أقل. مثل الجوائز الكبرى، نادرًا ما تحدث طفرات الجيل المبكر ولكنها تعطي أعدادًا كبيرة من المتغيرات. طفرات الجيل المبكر نادرة لأنه في وقت مبكر لا يوجد سوى عدد قليل من البكتيريا المتاحة للتحور.
على سبيل المثال، في تجربة مكونة من 20 جيلًا، فإن الطفرة التي تحدث عند الجيل العاشر من البكتيريا من شأنها أن تعطي 1024 متغيرًا مقاومًا للعاثيات. الطفرة التي تحدث في الجيل السابع عشر ستعطي فقط أربعة أنواع مقاومة للعاثيات.
أظهر عدد المستعمرات المقاومة في تجارب لوريا نمطًا مشابهًا لنمط سحب الأموال من ماكينات القمار. لم تحتوي معظم الأطباق على أي مستعمرات متحولة أو تحتوي على أعداد صغيرة منها، لكن العديد منها احتوى على عدد كبير من المستعمرات المتحولة التي اعتبرتها لوريا بمثابة جوائز كبرى. وهذا يعني أن البكتيريا طورت متغيرات مقاومة قبل أن تتفاعل مع العاثيات الموجودة في الأطباق.
إرث التجربة
أرسلت لوريا رسالة إلى ديلبروك بعد انتهاء تجربته تطلب منه التحقق من عمله. ثم عمل العالمان معًا لكتابة ورقة بحثية كلاسيكية تصف البروتوكول التجريبي والإطار النظري لقياس معدلات الطفرة البكتيرية.
أجرى علماء آخرون تجارب مماثلة عن طريق استبدال العاثيات بالبنسلين وأدوية السل. وبالمثل، وجدوا أن البكتيريا لا تحتاج إلى مواجهة مضاد حيوي لاكتساب مقاومة لها.
اعتمدت البكتيريا على طفرات عشوائية للتعامل مع البيئات القاسية والمتغيرة باستمرار لملايين السنين. ستقودهم طفراتهم العشوائية المستمرة إلى تطوير متغيرات مقاومة للمضادات الحيوية في المستقبل.
إن مقاومة الأدوية هي حقيقة من حقائق الحياة التي يتعين علينا قبولها والاستمرار في محاربتها.
تم إعادة نشر هذا المقال من The Conversation، وهي منظمة إخبارية مستقلة غير ربحية تقدم لك حقائق وتحليلات لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد.
كتب بواسطة: تشي تشنغ، جامعة تكساس ايه اند ام.
اقرأ أكثر:
لا يعمل Qi Zheng في أي شركة أو مؤسسة أو يستشيرها أو يمتلك أسهمًا فيها أو يتلقى تمويلًا منها قد تستفيد من هذه المقالة، ولم يكشف عن أي انتماءات ذات صلة بعد تعيينه الأكاديمي.