كيف يسخر الباحثون البول والبراز من أجل العلم

عندما أرشدتني ماتيلد بوييت عبر مختبر منظمة Global Microbiome Conservancy في كيل، ألمانيا، التقيت بجميع أنواع المعدات الحديثة. إنها منشأة مثيرة للإعجاب، وتحتوي على أجهزة معملية نموذجية، مثل الحاضنات وأحدث أجهزة التسلسل والغرف اللاهوائية لزراعة البكتيريا. لكن الأشياء الأكثر أهمية في المختبر يتم تخزينها في الثلاجة عند درجة حرارة -80 درجة مئوية. تعتبر العينات بالغة الأهمية لدرجة أنه يوجد نظام بطارية احتياطية، فإذا انقطعت الكهرباء عن المجمدات، فستظل المواد سليمة. عينات أنابيب الاختبار هذه ليست بعضًا من مصل الخلود أو البكتيريا المقاومة للسرطان: إنها براز.

على وجه الدقة، فهي عبارة عن عينات براز معلقة وبكتيريا تم استزراعها من البراز. ولكن في مرحلة ما، كان هذا هو البراز الذي جمعته بويت وزملاؤها، بما في ذلك شريكها ماتيو جروسين، كجزء من عملهم لصالح منظمة Global Microbiome Conservancy (GMbC)، التي شارك جروسين في تأسيسها. يحب بوييت أن يطلق على المشروع اسم “طفلهم الأول” (تنضم إلينا إحدى أطفالهما الحقيقيين، ابنتهما الرضيعة إيليس، في مكتبهم بينما نتحدث).

يقول بوييت، في إشارة إلى جدول تصنيف البراز الذي يستخدمه الأطباء لتقييم مشكلات الجهاز الهضمي: “لقد رأينا جميع أنواع البراز عبر مقياس بريستول للبراز – بجميع الأشكال، وجميع الأحجام، وجميع الألوان”.

يعتمد عمل بويت وجروسين على فكرة أن البراز يقدم صورة مثالية لميكروبيوم الأمعاء البشرية: المحتوى الجيني لمجتمع الكائنات الحية الموجودة في الأمعاء. وهذا يختلف بين السكان¹ ويمكن أن تكون بمثابة مؤشر صحي. تركز معظم الأبحاث حول ميكروبيوم الأمعاء البشرية على السكان المنحدرين من أصل أوروبي. لكن GMbC تطلب عينات أكثر تمثيلاً على المستوى العالمي. العينات الموجودة في الثلاجة تأتي من مناطق بعيدة مثل غانا وتنزانيا وفنلندا وتايلاند.

على مدى السنوات التسع الماضية من البرنامج، قام الفريق بأخذ عينات من 50 مجموعة سكانية من 19 دولة. وقد عمل أعضاؤها مع العلماء المحليين، ومجالس الأخلاقيات، والمجتمعات المحلية لجمع العينات، واصطحبوا سيارات، وقوارب، وطائرات هليكوبتر، وحتى دراجات رباعية، لأخذ عينات من المواقع. بالعودة إلى المختبر، يقوم الباحثون بتحليل محتوى البراز، وتسلسل المادة الوراثية للبكتيريا المستنبتة من العينات، وتخزين العينات الحية في البنك الحيوي الخاص بهم.

بالنسبة للغرباء، فإن أخذ عينات البراز باستمرار قد يبدو مثيرًا للاشمئزاز ورائحته كريهة. في كيل، يقوم العلماء أحيانًا بإعداد “حساء البراز”، باستخدام وعاء يسمى المفاعل الحيوي لرؤية تأثيرات السيناريوهات المختلفة على البكتيريا المشتراة. إنهم يفعلون ذلك بضع مرات فقط في السنة، لأن العملية يمكن أن تكون طويلة ومكلفة، والروائح لاذعة، مما يدفع زملائهم الأكثر تقليدية في الطابق إلى إعطاء مساحة العمل لقب “مختبر الرائحة الكريهة”.

لكن البراز يوفر نافذة رائعة على صحة الإنسان. يقول جروسين: “إنها أفضل طريقة لدينا لاستجواب ما هو موجود في أمعاء الأشخاص الأصحاء”. “إنه أمر مقزز بعض الشيء، ولكن هذه هي أفضل طريقة لدينا للوصول إلى هذا التنوع البيولوجي المهم والمذهل.”

كنز للعلم

مع وجود الميكروبيوم كموضوع بحثي صاخب، علماء آخرين في جميع أنحاء العالم يأخذون عينات لدراستها بأنفسهم. وكما رأينا خلال جائحة كوفيد-19، تحليل مياه الصرف الصحي هي أداة قيمة للصحة العامة، فهي تزود العلماء بالوسائل اللازمة لرصد مسببات الأمراض بين السكان قبل تصاعد العدوى.

تقول جانيل طومسون، عالمة الأحياء الدقيقة البيئية في المدرسة الآسيوية للبيئة بجامعة نانيانج التكنولوجية في سنغافورة: “إن النفايات التي نلقيها في البيئة غنية بالبيانات حقًا”. تقوم طومسون وفريقها بأخذ عينات من مياه الصرف الصحي في سنغافورة للكشف عن الكائنات الحية الدقيقة الضارة في البيئة، والبحث عن “الإشارات” البيولوجية من الكائنات الحية أو الفيروسات التي يتم التخلص منها من جسم الإنسان.

وتوضح قائلة: “يمكنك تحديد مكان حدوث الإشارات ومتابعتها مع مرور الوقت لمعرفة وقت حدوثها”. على سبيل المثال، في عامي 2021 و2022، تمكنت طومسون وزملاؤها من تحديد المتغيرات المثيرة للقلق لفيروس كورونا SARS-CoV-2 في مواقع الحرم الجامعي ومحطات المعالجة². كان هذا قبل فترة طويلة من سيطرة هذه المتغيرات، مما يشير إلى “الحد الأدنى من التداول الصامت”، وفقًا للفريق.

تشمل الآثار المترتبة على البحث في النفايات البشرية العديد من التخصصات العلمية. وسط النقص العالمي في الأسمدة، يتطلع بعض العلماء (والمزارعين) إلى ذلك البول كسمادوذلك لاحتوائه على النيتروجين. دراسة في مياه الطبيعة³قام فريق من الباحثين في جامعة ستانفورد، كاليفورنيا، بنشره في وقت سابق من هذا العام، بإنشاء نموذج أولي لنظام يستخرج العناصر الغذائية من البول. ويقدر الفريق أن تصميمه يمكن أن يولّد ما يصل إلى 4.13 دولارًا أمريكيًا لكل كيلوغرام من النيتروجين المستعاد. والأبحاث المنشورة عام 2020⁴ يظهر أن الأسمدة المعتمدة على البول قد تساعد أيضًا في الحفاظ على الموارد الأخرى، مما يقلل من انبعاثات الغازات الدفيئة واستخدام المياه.

بالإضافة إلى كونها رائدة في مجال الصحة العامة، تُستخدم عينات البراز في تطوير عملية يمكن أن تنقذ الحياة لعلاج حالات العدوى المطثية العسيرةوذلك من خلال نقل البكتيريا البرازية السليمة والميكروبات الأخرى من مضيف إلى آخر.

جيم صعب يوضح جوسبيرت كيلر، اختصاصي أمراض الجهاز الهضمي في مركز هاجلاندن الطبي في لاهاي بهولندا، أن حالات العدوى “تنجم في واقع الأمر عن خلل في الكائنات الحية الدقيقة”. كان كيلر جزءًا من مجموعة نشرت تجربة سريرية مبكرة⁵ في فعالية عمليات نقل البراز، والمعروفة أيضًا باسم زرع الكائنات الحية الدقيقة البرازية، في عام 2013. “إذا لم يكن المريض قادرًا على استعادة هذه الكائنات الحية الدقيقة، فيمكن أن يتكرر ويتكرر، وهذه هي اللحظة التي يمكن فيها لعمليات زرع الكائنات الحية الدقيقة البرازية أن تعالج المريض حقًا.”

الآن، يتم النظر إلى عمليات نقل البراز كوسيلة لعلاج السمنة⁶، مرض السكري من النوع 2⁷، مرض باركنسون⁸ وغيرها من الشروط.

كيفية إصلاح ميكروبيوم الأمعاء الذي دمرته المضادات الحيوية

يقول برين نيلسون، الذي أصدر كتابه لعام 2022، إن الشيء الذي يُنظر إليه غالبًا على أنه مثير للاشمئزاز يمكن أن يكون له في الواقع الكثير من القيمة الجوهرية. فلوش: العلم الرائع للكنز غير المحتمل وصفه ناشره بأنه “استكشاف عاجل للموارد الطبيعية الأكثر إهدارًا في العالم”. وكجزء من عملية البحث والكتابة، أمضى عالم الأحياء الدقيقة السابق سنوات في النظر في تطبيقات البراز، ووجد ما لا يقل عن 24 مجالًا تأخذ معلومات مهمة مما نعتبره منتجات النفايات. وفي إشارة إلى عامل البراز، يقول: “علينا فقط أن نتجاوز هذه العقبة لاكتشاف كل المعلومات التي يحتوي عليها”.

الدخول إلى الميدان

يأتي بوييت من خلفية مختبر رطب. من أجل الحصول على درجة الدكتوراه، قامت بدراسة ذبابة الفاكهة ذبابة الفاكهة سوزوكي وغالبًا ما يقضي أيامًا كاملة في تشريح عينات الحشرة. يتضمن بحثها الآن غربلة عينات البراز للوصول إلى البكتيريا التي لا تتعرض للأكسجين. وتقول إن بعض العينات تكون أكثر كريهة من غيرها، وتضيف: “ما هو مقرف حقًا عند التعامل مع عينة البراز هو في الواقع عندما لا يهضم الناس الطعام، ويمكنك العثور على طعام سليم تقريبًا في البراز. أنا لا أحب ذلك حقًا”.

بالنسبة لطومسون، كان العمل باستخدام مواد النفايات أمرًا طبيعيًا أيضًا. وتقول: “لطالما كنت مفتونًا بالعالم الميكروبي ومن ثم الوصول إليه من أجل منفعة الإنسان”. “الميكروبات لزجة، ويمكن أن تكون ذات رائحة كريهة، لكنني لا أجدها مقززة.”

البراز والبول أيضًا من الأشياء التي تفقد حساسيتك تجاهها مع مرور الوقت. يشرف تشونغ تشون وي – الباحث في الميكروبيوم بجامعة موناش ماليزيا في سوبانج جايا – على جمع عينات البراز كجزء من عمله على الميكروبيوم البشري. يبحث بحثه في كيفية اختلاف ميكروبيوم الأمعاء بين المجموعات العرقية⁹ في المنطقة. وعلى عكس بوييت وجروسين، فهو لا يشارك في العمل الميداني. وبدلاً من ذلك، يتم إرسال الزجاجات إلى المتبرعين الذين يقومون بإيداع عيناتهم في المنزل، ولكن لا يزال هناك تعامل يجب القيام به في المختبر.

ويقول: “كلما فعلت ذلك أكثر، كلما اعتدت عليه لأنه شيء تفعله بشكل روتيني”.

يقوم أصدقاؤك بتشكيل الميكروبيوم الخاص بك، وكذلك يفعل أصدقاؤهم

تدرس ماريسا ليدجر – عالمة الأحياء الدقيقة الطبية المقيمة في جامعة ماكماستر في هاميلتون بكندا – تاريخ العدوى الطفيلية. يمكن أن تكون عينات البراز المتحجرة القديمة – وهي مكونات عضوية متحللة تشبه التربة – ذات قيمة لا تصدق في علم الآثار وعلم الحفريات. كان تدريب ليدجر الجامعي في الأنثروبولوجيا، ودراسة بقايا الهياكل العظمية. وسرعان ما أدركت أن دراسة الطفيليات في البراز المحفوظة هي طريقة أفضل لتأريخ الأمراض المعدية عبر تاريخ البشرية، وشبهت البراز المتحجر بالكبسولات الزمنية التي يمكن أن تسفر عن تفاصيل دقيقة حول العدوى والوجبات الغذائية في المجتمع.

تقول: “عندما قررت أنني أريد أن أبحث في حالات العدوى الطفيلية، مدركًا أنها كان ينبغي أن تكون مساهمًا كبيرًا في الإصابة بالأمراض في الماضي، قلت لنفسي: “هذا هدف رائع حقًا”. “لم أفكر أبدًا في الأمر على أنه مقزز حتى تلقيت ردًا من الأشخاص الذين تحدثوا معي قائلين: “هل تدرس البراز القديم؟ هذا جنون”.

هناك أقوى المحرمات الثقافية لاحظت مارين ليجراند، عالمة الأنثروبولوجيا في OCAPI، وهو برنامج بحث متعدد التخصصات في باريس يبحث في طرق إعادة تدوير النفايات البشرية، مثل استخدام البول كسماد. وعلى الرغم من توفر التمويل للأبحاث المتعلقة بالبراز، يبدو أنه موجه نحو التطبيقات الطبية أكثر من التطبيقات الزراعية. “عندما نبحث عن الأموال، يكون من الأسهل العثور على أموال للعمل على التبول بدلاً من العمل على البراز.”

الحمام العام