كيف يُنتج البرمائيات البلورات الطبيعية وأسرارها

مقدمة حول البلورات الكائنات الحية

ماذا يمكن أن يجمع بين الأسماك، والوزغ، وسرطان البحر، وشخصية والت وايت، أستاذ الكيمياء من مسلسل Breaking Bad؟ الجواب يكمن في قدرتهم على اصطناع البلورات. ولكن، على عكس والت وايت الذي كان يصنع بلورات الميثامفيتامين لأغراض غير قانونية، فإن الكائنات الحية المذكورة تنتج بلورات طبيعية لغايات أكثر فائدة، مثل الرؤية والتمويه وتنظيم الحرارة والتواصل.

تنوع البلورات في الطبيعة

تشير الأبحاث إلى أنه رغم أن العديد من البلورات التي تُنتج داخل خلايا الكائنات الحية تتكون من مادتين فقط (الگلوانين والهيبُوكسانثين)، فإن تنوع أشكالها واستخداماتها وخصائصها الضوئية مبهر. لقد أسرت القدرة الفائقة لهذه الكائنات في تقديم تنوع هائل باستخدام كتلتين بناء بسيطتين اهتمام العلماء، ولكن حتى اللحظة لم يكن هناك تفسير واضح لهذا الجمال الطبيعي. وفي دراسة حديثة نُشرت في مجلة Nature Chemical Biology، قام باحثون من معهد وايزمان للعلوم بإلقاء الضوء على طرق تصنيع هذه البلورات.

الأسماك وزيادة تنوع البلورات

تتربع سمكة الزebra، وهي سمكة عذبة المياه ذات جمال خاص، على عرش هذه الأبحاث. تكشف الصور المقربة لهيكلها أن أنسجتها تحتوي على بلورات متنوعة: القشرة الواقية للغلاصم تبرز بلون فضي، بينما تعكس عيونها ضوءاً أزرق، وتظهر خلايا جلدها بلون أصفر أو أزرق مشرق.

استكشاف تكوين البلورات

في سعيهم لفهم أسباب اختلاف البلورات، قام الباحثون بعزل البلورات من الأنسجة واكتشفوا أنها تتميز بشكل وتركيب وتوزيع مختلف داخل الخلايا. يقول الدكتور دفير غور، من قسم الوراثة الجزيئية في معهد وايزمان: “تختلف البلورات بشكل كبير فيما بينها من حيث الشكل والتركيب والموقع في الخلية”.

ميكروسكوبات تكشف الأسرار

بمساعدة الميكروسكوب الإلكتروني، تمكّن الفريق البحثي من ملاحظة أن البلورات الموجودة في غطاء الغلاصم كانت طويلة ورفيعة، بينما كانت بلورات العيون قصيرة، وتلك الموجودة في الجلد هي الأقصر على الإطلاق. “تقدم البلورات في سمكة الزebra فرصة مثالية لدراسة كيفية التحكم في الهيكل وخصائص البلورات بيولوجياً وجينياً، دون الحاجة للمقارنة بين بلورات تم تشكيلها في كائنات مختلفة ذات تكوينات جينية متنوعة”، يضيف غور.

التركيب الجزيئي وخصائص البلورات

أثناء دراسة البلورات الخاصة بالسمكة، لاحظ الباحثون أن نسبة الغوانين إلى الهيبُوكسانثين تؤثر في شكل البلورة. هذا يمكن مقارنته بفن الطهو، حيث يمكن للطاهي اختيار نسبة مكونات معينة لإنتاج أطباق متنوعة. بنفس الطريقة، فإن النسب المختلفة من الغوانين والهيبُوكسانثين تؤثر على بنية وخصائص البلورات، وبالتالي على كيفية استفادة الكائن الحي منها.

بروتينات الحلول الضوئية

ولم تكن الغوانين والهيبُوكسانثين الحد الفاصل، إذ تبين أنهما مواد أساسية تستخدمها جميع الكائنات، وهما ضروريتان لبناء الحمض النووي وللعمل السليم للخلايا. لفهم كيفية تنظيم نسبة هذه المركبات في البلورات، قامت راشيل ديس، الباحثة التي قادت هذه الدراسة، بعزل الخلايا المنتجة للبلورات في السمكة، والمعروفة باسم الإريدوفوروس، ونجحت في فك رموز الآليات البيولوجية التي تمكنها من تشكيل البلورات متى تشاء.

الإيقاع التناسقي في الشفافية الضوئية

“لم يسبق لنا أن عزلنا الإريدوفوروس وتعرفنا على البروتينات التي تحتويها، وقارناها بخلايا لا تُنتج البلورات”، تضيف ديس. عند مراجعة قائمة البروتينات للإريدوفوروس، اكتشف الباحثون وجود اتجاهين متناقضين؛ من جهة، كانت تحتوي على إنزيمات مسؤولة عن تكوين أبعاد البلورات بكمية كبيرة، وعلى الجانب الآخر، كانت تحتوي على نسب أقل من المتوقع من إنزيمات أخرى ذات وظائف مشابهة.

نتائج التأثيرات المتداخلة

أشارت هذه النتائج إلى أن كل مجموعة من الإريدوفوروس لها توازن فريد من الإنزيمات، ويتحكم هذا التوازن الفريد في نسبة مكونات كل بلورة، مما يؤثر على هيكل البلورة ووظيفتها في الأنسجة المختلفة. يقول غور: “بالمقارنة مع البشر، لدينا إنزيم واحد فقط ينظم أخيراً تكوين الجوانين، بينما اكتشفنا أن الأسماك تمتلك خمسة إنزيمات مختلفة، مما يمنحها القدرة على إنتاج نسب مختلفة من الغوانين والهيبُوكسانثين دون التأثير على العمليات الخلوية الأخرى”.

التجارب لإثبات النظرية

الأمر الأكثر إثارة يكمن في أن الباحثين قاموا بتصميم سمكة فقدت القدرة على التعبير عن إنزيم معين يُعرف باسم pnp4a، الذي يعد أساسياً في إنتاج الجوانين البلورية. في حالة السمكة العادية، يكون هذا الإنزيم متواجداً بكميات كبيرة في الإريدوفوروس البصري وبكميات أقل في الإريدوفوروس الجلدي. بعد التجربة، لوحظ أن البلورات في عيون السمكة التي تفتقر لهذا الإنزيم كانت أصغر عدداً، وتغير شكلها من طويل إلى مربع، مشابهة لتلك الموجودة في جلدي السمكة.

الخاتمة

النجاح الذي حققه الباحثون في كشف آلية تكوين البلورات جاء بفضل الطبيعة متعددة التخصصات لفريق البحث، الذي ضم علماء بيولوجيا إلى جانب خبراء في البصريات ومواد البيولوجية. إن هذه الاكتشافات لا تعزز فقط من معرفتنا بالطبيعة بل تمكننا من تقليد موادها والتفاعل معها، كما تؤكد جمال وبساطة الطبيعة: كيف يمكن لمادتين جزيئيتين بسيطتين أن تنتجا تنوعاً هائلاً من الوظائف البيولوجية المعقدة.