في إنجازٍ ثوريٍّ يجمع بين علم الأحياء والهندسة، طوّر العلماء خلايا اصطناعية تُحاكي آلية الساعة الداخلية للطبيعة.
وصمّم باحثون في جامعة كاليفورنيا، ميرسيد، حويصلاتٍ اصطناعية صغيرة تنبض بإيقاعٍ ثابتٍ على مدار 24 ساعة، في إنجازٍ يحاكي الإيقاعات اليومية التي تُنظّم النوم والتمثيل الغذائي وغيرها من العمليات الأساسية في الكائنات الحية، حسبما أفاد موقع “إنترستينغ إنجينيرينغ”.
وتكشف نتائج الفريق كيف يُمكن للساعات البيولوجية أن تبقى مستقرةً بشكلٍ ملحوظ حتى في البيئة الصاخبة والمتقلبة داخل الخلايا.
وأشرف على الدراسة أستاذ الهندسة الحيوية أناند بالا سوبرامانيام، وأستاذ الكيمياء والكيمياء الحيوية آندي لي وانغ، وكان طالب الدكتوراه ألكسندر تشانغ تو لي الباحث الرئيسي.
خلايا صغيرة.. إيقاعٌ هائل
لفهم ما يُحافظ على دقة الساعات البيولوجية، أعاد الفريق بناء آلية الساعة للبكتيريا الزرقاء داخل حويصلاتٍ مُبسّطةٍ تُشبه الخلايا، وتم وسم أحد البروتينات الأساسية بعلامة فلورية، مما أدى إلى توهج الخلايا الاصطناعية بتزامن مع إيقاع يومي، ووجد الفريق أن التوهج استمر لمدة أربعة أيام على الأقل، ولكن فقط في ظل ظروف محددة، إذ عندما تم تصغير حجم الحويصلات أو تقليل عدد بروتينات الساعة داخلها، انهار الإيقاع.
والأهم من ذلك، أن هذا الانهيار اتبع نمطاً قابلاً للتكرار، مما يوفر فهماً أعمق لما يحافظ على عمل أنظمة التوقيت اليومي بسلاسة، وللتعمق أكثر، بنى الباحثون نموذجاً حاسوبياً يحاكي سلوك الساعات الاصطناعية في ظل ظروف مختلفة.
وكشف النموذج أن استقرار الساعة يتحسن مع زيادة تركيز البروتينات، مما يشير إلى سبب قيام الكائنات الحية بتخزين كميات كبيرة من هذه الجزيئات للحفاظ على الوقت بشكل موثوق.
وقال سوبرامانيام: “تُظهر هذه الدراسة أنه يمكننا تحليل وفهم المبادئ الأساسية لضبط الوقت البيولوجي باستخدام أنظمة مبسطة وتركيبية”.
كما ألقى النموذج الضوء على التزامن، ووجدت الدراسة أنه على الرغم من أن بعض المكونات الجينية، وتحديداً تلك المسؤولة عن تشغيل الجينات وإيقافها، ليست ضرورية للحفاظ على الوقت في خلية واحدة، إلا أنها تلعب دوراً حاسماً في مزامنة الساعات البيولوجية عبر مجموعة أكبر من الخلايا.
وصرح مينغكسو فانغ، أستاذ علم الأحياء الدقيقة في جامعة ولاية أوهايو، والذي لم يشارك في الدراسة: “تعتمد الساعة البيولوجية للبكتيريا الزرقاء على تفاعلات كيميائية حيوية بطيئة وصاخبة بطبيعتها، وقد اقتُرح أن هناك حاجة إلى أعداد كبيرة من بروتينات الساعة البيولوجية لتخفيف هذا الصخب، تقدم هذه الدراسة الجديدة طريقة لمراقبة تفاعلات الساعة البيولوجية المُعاد تكوينها داخل حويصلات قابلة للتعديل في الحجم تُحاكي الأبعاد الخلوية، وتُتيح هذه الأداة القوية إجراء اختبار مباشر لكيفية وسبب تبني الكائنات الحية ذات أحجام الخلايا المختلفة لاستراتيجيات توقيت مختلفة، مما يُعمق فهمنا لآليات ضبط الوقت البيولوجية عبر أشكال الحياة المختلفة، و إلى جانب توفير نافذة على كيفية إدارة الخلايا للوقت، يفتح هذا البحث آفاقاً جديدة في علم الأحياء التركيبي”.
