باستخدام التطور الآلي، قام علماء جامعة كاليفورنيا في سان دييغو بتدريب البكتيريا على إنتاج المزيد من الصبغة التي تساعد الأخطبوط على التمويه.

وكشف التحليل الجيني عن طفرات رئيسية حولت الميكروبات إلى مصانع أصباغ عالية الكفاءة.

تكسير سر تمويه الطبيعة

اتخذ الباحثون في جامعة كاليفورنيا، سان دييغو، خطوة كبيرة نحو فهم واحدة من أبرز مواهب الطبيعة: القدرة على الاختفاء على مرأى من الجميع.

تشتهر الأخطبوطات والحبار والحبار وأقاربها من رأسيات الأرجل بمهاراتها المذهلة في التمويه، حيث تغير لون وملمس بشرتها بسرعة لتندمج مع البيئة المحيطة بها. تعتمد هذه الخدعة الطبيعية على صبغة معقدة تسمى زانثوماتين، والتي تتحكم في العديد من التغيرات اللونية للحيوانات.

لعقود من الزمن، كان العلماء وحتى الباحثون في مجال الدفاع مفتونين بقدرة الزانثوماتين على تغيير اللون. ومع ذلك، فقد ثبت أن إعادة إنتاج الصبغة في المختبر أمر بالغ الصعوبة – حتى الآن.

إنتاج صبغة تمويه الطبيعة على نطاق واسع

في دراسة جديدة، أفاد فريق من معهد سكريبس لعلوم المحيطات التابع لجامعة كاليفورنيا في سان دييغو عن تقدم كبير في فهم كيفية خلق الطبيعة للتمويه. طور الباحثون طريقة جديدة لإنتاج الزانثوماتين بكميات كبيرة، مما يجعل من الممكن دراسة واستخدام هذا الصباغ بعيد المنال بسهولة أكبر من أي وقت مضى.

وقد أنتجت طريقتهم المستوحاة من الطبيعة الصباغ داخل البكتيريا، مما أدى إلى تحقيق عوائد أعلى بما يصل إلى 1000 مرة من الأساليب السابقة. يمكن أن يتيح هذا الاختراق مجموعة من التطبيقات، بدءًا من الأصباغ المستدامة والمواد المقاومة للأشعة فوق البنفسجية وحتى الطلاءات المتقدمة والأجهزة الإلكترونية الضوئية.

هندسة البكتيريا لصنع صبغة رأسيات الأرجل

قال برادلي مور، كبير مؤلفي الدراسة والكيميائي البحري الذي يعمل في معهد سكريبس لعلوم المحيطات وكلية الصيدلة والعلوم الصيدلانية بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو سكاجز: “لقد طورنا تقنية جديدة ساهمت في تسريع قدراتنا على صنع مادة، في هذه الحالة الزانثوماتين، في البكتيريا لأول مرة”. “هذا الصباغ الطبيعي هو ما يمنح الأخطبوط أو الحبار القدرة على التمويه – قوة عظمى رائعة – وإنجازنا في تطوير إنتاج هذه المادة هو مجرد قمة جبل الجليد.”

تم النشر في 3 نوفمبر التكنولوجيا الحيوية الطبيعية، تم دعم البحث من قبل المعاهد الوطنية للصحةومكتب البحوث البحرية، والمؤسسة الوطنية السويسرية للعلوم، ومؤسسة نوفو نورديسك.

ووفقا للمؤلفين، فإن هذا الاكتشاف يفعل أكثر من مجرد تفسير الكيمياء وراء عجائب الطبيعة المتغيرة للألوان. ويمكن تطبيق نفس التكنولوجيا الحيوية على مركبات مفيدة أخرى، مما يساعد الصناعات على التحول بعيدا عن الإنتاج القائم على النفط ونحو المواد المستدامة المشتقة من الطبيعة.

من حبر الأخطبوط إلى أجنحة الفراشة

وَرَاءَ رأسيات الأرجل، تم العثور على الزانثوماتين أيضًا في الحشرات ضمن مجموعة المفصليات، مما يساهم في الألوان البرتقالية والصفراء الرائعة لأجنحة الفراشة الملكية واللون الأحمر الساطع الذي يظهر في أجسام اليعسوب وعيون الذبابة.

على الرغم من خصائص اللون الرائعة للزانثوماتين، إلا أنه غير مفهوم جيدًا بسبب التحدي المستمر في العرض. إن حصاد الصبغة من الحيوانات ليس قابلاً للتطوير أو فعالاً، كما أن الطرق المعملية التقليدية تتطلب عمالة كثيفة، وتعتمد على التخليق الكيميائي منخفض الإنتاجية.

سعى الباحثون في مختبر مور في سكريبس لعلوم المحيطات إلى تغيير ذلك، من خلال العمل مع زملائهم في جامعة كاليفورنيا في سان دييغو وفي مركز مؤسسة نوفو نورديسك للاستدامة الحيوية في الدنمارك لتصميم حل، وهو نوع من حلقة ردود الفعل على النمو يسمونها “التخليق الحيوي المقترن بالنمو”.

خداع البكتيريا لخلق كيمياء التمويه

تمثل الطريقة التي قاموا بها بالهندسة الحيوية لصبغة الأخطبوط، وهي مادة كيميائية، في البكتيريا خروجًا جديدًا عن أساليب التكنولوجيا الحيوية النموذجية. لقد ربط نهجهم بشكل وثيق بين إنتاج الصباغ وبقاء البكتيريا التي صنعته.

قالت ليا بوشين، المؤلفة الرئيسية للدراسة، وهي الآن عضو هيئة تدريس في جامعة ستانفورد وباحثة ما بعد الدكتوراه سابقًا في مختبر مور في سكريبس لعلوم المحيطات، حيث أجريت أبحاثها: “كنا بحاجة إلى نهج جديد تمامًا لمعالجة هذه المشكلة”. “في الأساس، توصلنا إلى طريقة لخداع البكتيريا لإنتاج المزيد من المواد التي نحتاجها.”

عادة، عندما يحاول الباحثون جعل الميكروب ينتج مركبًا غريبًا، فإن ذلك يخلق عبئًا استقلابيًا كبيرًا. وبدون معالجة جينية كبيرة، يقاوم الميكروب تحويل موارده الأساسية لإنتاج شيء غير مألوف.

ربط الحياة بإنتاج الأصباغ

ومن خلال ربط بقاء الخلية بإنتاج المركب المستهدف، تمكن الفريق من خداع الميكروب لإنتاج الزانثوماتين. وللقيام بذلك، بدأوا بخلية “مريضة” معدلة وراثيًا، وهي خلية لا يمكنها البقاء على قيد الحياة إلا إذا أنتجت الصبغة المطلوبة، بالإضافة إلى مادة كيميائية ثانية تسمى الفورميك. حامض. مقابل كل جزيء صبغة يتم إنتاجه، تنتج الخلية أيضًا جزيءًا واحدًا من حمض الفورميك. يوفر حمض الفورميك، بدوره، الوقود لنمو الخلية، مما يخلق حلقة مكتفية ذاتيًا تدفع إنتاج الصباغ.

وقال بوشين: “لقد جعلنا الأمر بحيث يكون النشاط من خلال هذا المسار، المتمثل في صنع المركب محل الاهتمام، ضروريًا للغاية للحياة. وإذا لم يصنع الكائن الحي الزانثوماتين، فلن ينمو”.

الهندسة الحيوية تلتقي بالتطور

لتعزيز قدرة الخلايا على إنتاج الصباغ بشكل أكبر، استخدم الفريق الروبوتات لتطوير وتحسين الميكروبات المهندسة من خلال حملتين لتطوير المختبرات التكيفية عالية الإنتاجية، والتي تم تطويرها بواسطة مختبر الدراسة المؤلف المشارك آدم فيست، الأستاذ في قسم Shu Chien-Gene Lay للهندسة الحيوية في كلية الهندسة بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو جاكوبس وكبير العلماء في مركز مؤسسة نوفو نورديسك للاستدامة الحيوية. قام الفريق أيضًا بتطبيق أدوات المعلوماتية الحيوية المخصصة من مختبر Feist لتحديد الطفرات الجينية الرئيسية التي عززت الكفاءة ومكنت البكتيريا من صنع الصبغة مباشرة من مصدر غذائي واحد.

وقال فيست: “يعطي هذا المشروع لمحة عن المستقبل حيث تتيح البيولوجيا الإنتاج المستدام للمركبات والمواد القيمة من خلال الأتمتة المتقدمة وتكامل البيانات والتصميم القائم على الحساب”. “هنا، نعرض كيف يمكننا تسريع الابتكار في مجال التصنيع الحيوي من خلال الجمع بين المهندسين وعلماء الأحياء والكيميائيين باستخدام بعض تقنيات هندسة الإجهاد الأكثر تقدمًا لتطوير منتج جديد وتحسينه في وقت قصير نسبيًا.”

إنتاج صبغات حطمت الأرقام القياسية

وقال بوشين إن المحاولات السابقة لصنع الصبغة كانت غير فعالة، حيث كانت تنتج عادة حوالي خمسة ملليجرامات فقط لكل لتر “إذا كنت محظوظا”. غيرت التقنية الجديدة ذلك بشكل كبير، حيث زادت الإنتاج إلى ما يتراوح بين جرام واحد وثلاثة جرامات لكل لتر، وهو ما يمثل تحسنًا يقارب ألف ضعف.

على الرغم من أن المشروع تطلب عدة سنوات من التخطيط الدقيق والتصميم التجريبي، إلا أنه بمجرد بدء التجارب، جاء النجاح سريعًا بشكل مدهش.

يتذكر بوشين لحظة الإنجاز هذه: “لقد كان أحد أفضل أيامي في المختبر”. “لقد قمت بإعداد التجربة وتركتها طوال الليل. وعندما جئت في صباح اليوم التالي وأدركت أنها ناجحة وأنها تنتج الكثير من الأصباغ، شعرت بسعادة غامرة. لحظات مثل هذه هي السبب الذي دفعني إلى ممارسة العلوم”.

التصنيع المستوحى من الطبيعة للمستقبل

يعتقد مور أن هذا النهج غير الجراحي المستوحى من الطبيعة يمكن أن يحدث ثورة في كيفية تصنيع المواد الكيميائية الحيوية.

وقال: “لقد قمنا بالفعل بتعطيل الطريقة التي يفكر بها الناس حول كيفية هندسة الخلية”. “لقد أحدث نهجنا التكنولوجي المبتكر قفزة هائلة في القدرة الإنتاجية. وهذه الطريقة الجديدة تحل تحدي العرض ويمكنها الآن جعل هذه المادة الحيوية متاحة على نطاق أوسع بكثير.”

من التمويه إلى مستحضرات التجميل

في حين أن بعض الاستخدامات المحتملة قد تبدو مستقبلية، إلا أن الاهتمام يتزايد بالفعل بين العديد من الصناعات. وتقوم وزارة الدفاع الأمريكية وشركات مستحضرات التجميل باستكشاف إمكانات هذه المادة. ينجذب الباحثون في مجال الدفاع إلى قدرته الطبيعية على التمويه، بينما يبحث مطورو مستحضرات العناية بالبشرة عن وعوده بتوفير واقيات شمسية صديقة للبيئة. وتشمل التطبيقات الأخرى الممكنة الدهانات المتغيرة الألوان، والطلاءات الذكية، وأجهزة الاستشعار البيئية.

وقال مور: “بينما نتطلع إلى المستقبل، سيرغب البشر في إعادة التفكير في كيفية صنع المواد لدعم أسلوب حياتنا الاصطناعي الذي يعيشه 8 مليارات شخص على الأرض”. “بفضل التمويل الفيدرالي، فتحنا طريقًا جديدًا واعدًا لتصميم مواد مستوحاة من الطبيعة تكون أفضل للناس والكوكب.”

المرجع: “التخليق الحيوي الميكروبي المقترن بالنمو للصباغ الحيواني زانثوماتين” بقلم ليا ب. بوشين، توبياس ب. ألتر، ماريا في جي ألفان-فارجاس، لارا دور، إلينا سي. أولسون، ماريا جيه. أفيلا، دانييل سي. فولك، أوسكار بويجيني، تايهوان كيم، ليلى إف. ديرافي، آدم إم. فيست، بابلو آي. نيكيل وبرادلي س. مور، 3 نوفمبر 2025، التكنولوجيا الحيوية الطبيعية.
دوى: 10.1038/s41587-025-02867-7

مؤلفو الدراسة الإضافيون هم توبياس ألتر، وماريا ألفان فارغاس، ودانيال فولك، وأوسكار بويجيني، وبابلو نيكيل من مركز مؤسسة نوفو نورديسك للاستدامة الحيوية؛ إلينا أولسون من قسم الهندسة الحيوية بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو؛ ولارا دور وماريا أفيلا من معهد سكريبس لعلوم المحيطات بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو؛ وتيهوان كيم وليلى ديرافي من جامعة نورث إيسترن.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل, يكتشف، و أخبار.