أدلة التطور

1- الأصل من جين ATPase: جميع الخلايا تمتلك نظام ATP Synthase الذي تكلمنا عنه قبل قليل الذي ينتج الطاقة، التشابه الضخم جداً في التركيب وهندسة الATPase وجين Flil بل ووحدات جزء F1-ATPase كلها متشابهة مع البروتينات FliJ, Flil, FliH وهذا يشير الى أصل او على الأقل علاقة تطورية وثيقة بينهما كما تشير بعض الأوراق العلمية.[22][23][24] ربما كانت تستخدم لتصدير البروتينات السموم خارج الحلية سواء للتغذية او إخراج النفايات.

وأحد النقاط المهمة التي يجب الإشارة إليها في هذا الموضوع، هي ان هناك اصلاً الكثير من أشكال السوط البكتيري وليس شكلاً واحداً فقط، وتتفاوت ملعاثفي عدد الجينات وأحياناً بعضها لا يمتلك اجزاء عند غيرها لو لديها اجزاء غير موجودة عند غيرها.[20][21] ويمكننا التنبؤ بمراحل تطور السوط البكتيريا تدريجياً من أشكال ابسط من خلال تشابهه مع التراكيب والأنظمة الأخرى بالفعل.

يتكون T3SS. تقريباً من نفس الأجزاء التي يتكون منها السوط، وهي: - ابرة خارجية (مكان الخيط) - حلقات بروتينية رابطة (نفسها الموجودة في السوط) - مضخة بروتينية تصديرية (مشابهة جداً لجهاز التصدير الخلوي) - مضخة طاقة ATPase (نفس الموجودة في السوط) بل وحتى ان البروتينات الموجودة في السوط هي نفسها البروتينات الموجودة في الT3SS بالضبط وتؤدي نفس الوظيفة تماماً، مثل البروتينات SctN وEscN التي تودي نفس وظيفة البروتين Flil، او البروتين SctD الذي يؤدي نفس وظيفة البروتين FliF، الخ...[19] فإذا ازلنا الخيط والخطاف والمحرك الدوار من السوط البكتيري (يعني كل الأجزاء المسؤولة عن الحركة فيه) فلن نحفتظ بنظام غير وظيفي يقتل البكتيريا، بل سنحصل على نظام حقن بروتينات مطابق تماماً لT3SS وهو وظيفي بالكامل، وهذا يعني فعلاً انه قابل للإختزال. وحتى لو لم يكن الأمر كذلك، فالتشابه الضخم جداً بين كليهما (سواء السوط البكتيري تطور من الT3SS او العكس) لوحده يشير الى ان السوط البكتيري بتعقيده الشديد ليس ضرورياً اصلاً ويمكن للنظام ان يعمل بشكل مستقل تماماً ومفيدة ايضاً، وهذا يدحض تماماً حجة انه نظام معقد غير قابل للإختزال.

وكما هو متوقع، فالرد ببساطة ان هذا هو ما يحصل تقريباً في أغلب الأنظمة الكيميائية المعقدة، وهو إعادة التوظيف Exaptation، يتطور الجزء A للغرض X ولكن عندما يتفاعل مع الجزء B يؤديان معاً الوظيفة Y. ولكن هل فعلاً كل اجزاء السوط البكتيري ضرورية؟ هنا يجب ان نتعرف على نظام الإفراز من النوع الثالث Type III Secretion System او اختصاراً T3SS. هو عبارة عن حقنة جزيئية موجودة فس البكتيريا الممرضة مثل البكتيريا المسببة للطاعون Yersinia pestis او السالمونيلا Salmonella او الإشريكية القولونية E. Coli، يستخدم لحقن بروتينات سامة ومؤثرة مباشرة في سيتوبلازم الخلايا المستضيفة لإضعاف مناعتها وتسهيل اصابتها.[18]

2- الخطاف Hook: عبارة عن بروز مرن ومنحني يتكون من بروتين FlgE، يرتبط بالجسم Basal body بالخيط الخارجي Filament ويعمل كمفصل يحول حركة الدوران المحورية للجسم الى حركة دورانية سوطية مائلة للخيط Filament، مما يسمح بدفع البكتيريا الى الأمام. 3- الخيط Filament: هو الجزء الخارجي الطويل الذي يبرز في الوسط المحيط، يتكون من آلاف النسخ المكررة من بروتين واحد FliC، مرتبة في نموط حلزوني مجوف. يتم تصدير بروتينات FliC عبر قناة مجوفة في المنتصف لتتبلور ذاتياً في النهاية البعيدة بمساعدة بروتين FliD. 4- المحرك Motor والعضو الثابت Stator: تتكون من بروتينات MotA وMotB التي تشكل قنوات بروتينية ممتدة عبر الغشاء الداخلي. يتدفق البروتون عبر هذه القنوات مولداً قوة دفع كهرومغناطيسية تتسبب في دوران الحلقة MS والحلقة C بالنسبة للعضو الثابت. 5- جهاز التصدير الخلوي Type III Export Apparatus: يقع في قاعدة الجسم Basal Body داخل الغشاء الداخلي. وهو نظام نقل بروتيني متخصص يقوم بضخ المكونات البروتينية للسوط (مثل البروتينات التي يطلقها الخطاف والخيط) خارج الخلية ليتم تجميعها في الخارج.[17] 6- إنزيم ATPase لإفراز الطاقة، ولا حاجة لشرحه لأننا بالفعل تعمقنا فيه قبل قليل.

1- الجسم Basal Body: وهو الجزء الموجود داخل الجدار الخلوي للبكتيريا: يتكون من عدة اجزاء وهي: الحلقة L-ring: تقع في الغشاء الخارجي (في بعض انواع البكتيريا) الحلقة P-ring: تقع في طبقة الببتيدوجليكان الحلقة MS-ring: تقع في الغشاء السيتوبلازمي الداخلي الحلقة C-ring: تبرز داخل السيتوبلازم يعمل الجسم كجهاز تحكم في اتجاه الدوران ويتفاعل مع بروتينات الإنجذاب الكيميائي Chemotaxis Proteins.

مصدر الصورة: https://www.nature.com/articles/s41467-021-24715-3

ينتقل بعد ذلك للكلام عن السوط البكتيري والحجة الأشهر على الإطلاق بخصوص التعقيد غير القابل للإختزال، لذا دعونا ندحض الحجة بالكامل، هل فعلاً السوط البكتيري تعقيد غير قابل للإختزال؟ لنحلل اولاً التركيب الدقيق للسوط البكتيري:

وبالنسبة للجزء F0-ATPase فكما قلت هي قناة أيونية سالبة، والتي تُظهِر الأدلة انها ربما تطورت من حلقة C قديمة موجودة في السوط البكتيري، الأدلة تشير الى ان بعض البروتينات الأساسية في تكوين كل من السوط البكتيريا والحلقة C في F0-ATPase هي متطابقة في التسلسل، بل وحتى في موقعها على الكروموسوم.[15][16] هذا يعني ان التركيب ATP Synthase ككل ليس فقط غير قابل للإختزال، بل حتى الأجزاء التي يتكون منها قابلة للإختزال والتطور التدريجي بالفعل، وهذا لا يدع اي محالاً للإعتراض في هذه الحجة.

وهذا يعني ان فقدان الجزء F0-ATPase لن يعطل الوظيفة الكاملة وهي تصنيع الطاقة، وبالتالي هذا يدحض الحجة بشكل كامل وجذري بالفعل، ومع ذلك سنكمل ونعرف ايضاً ان كل من القطعتين F1 وF0 لم تنشأ من العدم او حتى ليسا نظامين معقدين غير قابلين للإختزال في حد ذاتهما، بل يمكن اختزالها ايضاً وتطورهما بشكل تدريجي. فنجد مثلاً كما قلت ان الجزء F1-ATPase هو هيليكاز سداسي، يعني انه تطور بالفعل من هيليكازات اقدم، ونجد ان الهيليكازات اصلاً تطورت من تضاعف بروتين RecA من عائلة P-loopn NTPase وهي عائلة قديمة جداً اقدم حتى من LUCA (السلف المشترك الشامل لجميع اشكال الحياة). والذي تضاعف ليشكل الوحدات الحفازة β وغير الحفازة α.[13] وتحديداً هيليكاز يسمى SF-V RHO الذي يتشابه تسلسله مع تسلسل F1-ATPase بنسبة حوالي 50%، وهي نسبة ضخمة جداً بالنسبة لتطور منفصل لأكثر من 4 مليار سنة، وهذا يعني بوضوح شديد ان هناك علاقة وثيقة جداً بينهما.[14]

الآن بما ان الأمر واضح تماماً، الجزء F1 يعمل كهيليكاز سداسي يصنع الطاقة ATP، والجزء F0 يعمل كقناة أيونية سالبة لمد جزيئات ATP بالمزيد من الطاقة. الأهم هنا، ان القطعتين F1 وF0 يمكن لكل منهما ان يعمل لوحده بشكل مستقل تماماً عن الآخر ولا يحتاجان الى العمل مع بعضها البعض، بل والأكثر إثارة للإهتمام هو ان وظيفة تصنيع وتحليل الATP (وهي وظيفة الATP Synthase بالكامل) يمكن ان تعمل فقط بإستخدام F1-ATPase دون الحاجة إلى الجزء الآخر الذي يحسن الوظيفة فقط.[11][12]

كما هو موضح يتكون الF-type ATP Synthase او بشكل اسهل F-ATPase من قطعتين هما F1-ATPase وF0-ATPase (الجزئين المحددين في الصورة بإسم F1 وF0)، يتكون الجزء F1-ATPase من وحدات β (حفازة) ووحدات α (غير حفازة) تشكل حلقة سداسية مرتبطة مع الذراع b2 التي تثبتها حتى لا تدور عند دوران المحور المركزي γ، وفي نفس الوقت تربطها مع الوحدة δ في الأعلى، ومع القطعة F0 في الأسفل. وتعمل القطعة F0-ATPase بالكامل كمحرك دوران للأيونات لمد الإنزيم بالطاقة اللازمة من خلال دوران الحلقة C التي تتكون من حوالي 8-15 وحدة، ويدور المحور γ بشكل متزامن مع الحلقة C، وبسبب الشكل الغير متماثل بين γ وC فإن دورانهما في نفس الوقت يغير من شكل الوحدات الثلاثة β وهو ما يؤدي الى انتاج جزيء ATP لكل ثلث دورة.

مصدر الصورة: https://www.nature.com/articles/nsb1100_1002

ننتقل الى نقطه التالية وهي بخصوص نظام تصنيع الطاقة في الجسم وتحديداً نظام تصنيع الطاقة ATP Synthase ويصفه بأنه محرك دوار متكامل يتكون من قطاع غشائي دوار وعمود دوران وجزء تحفيزي ثابت ونظام فرق جهد كهربائي الخ... يدعي ان غياب او تعطيل اي جزء من هذه الأجزاء سيؤدي الى دمار النظام وعدم تصنيع الطاقة في الخلية وبالتالي موت الخلية وهذا يعني ان الخلايا يستحيل ان تبقى لملايين السنين. دعونا اولاً نعرف ما هو الATP Synthase ومما يتكون لنعرف بدقة هل هو فعلاً معقد غير قابل للإختزال؟ سنركز فقط على النوع الأشهر منه لأنه الموجود عند اغلب الكائنات الحية المعروفة وهو F-type ATP Synthase، يمكننا ان نرى تركيبه من خلال هذه الصورة:

ماذا يعني هذا بالنسبة لحجته اذاً؟ هو يدعي ان البروتينات تحتاج الى DNA والDNA يحتاج الى بروتينات، ومع ذلك خطوات تطور الريبوسوم المدروسة توضح ان الببتيدات التي تطورت لاحقاً لتكون سلاسل بروتينية من النفق في الrRNA ظهرت قبل الDNA بفترة طويلة، بل وحتى ان عملية التشفير ظهرت قبل الDNA. وهذا يعني ان البروتينات لا تحتاج الى الDNA على اي حال وقد تنشأ بدون الDNA. ويذكر ايضاً ان AARS وهي بروتينات معقدة غير قابلة للإختزال حسب قوله ضروري لبداية عملية الترجمة، ولكن هذا غير صحيح كما وضحت ان ذيول الCCA المشحونة الminihelices RNA كانت بالفعل توسل الركائز النشطة الى مركز نقل الببتيد PTC وتبدأ عملية الترجمة، بدون tRNA او aaRS، فهذا يدحض الحجة بالكامل. ويذكر ايضاً ان الRNA لم يمتلك نظاماً لتصحيح الأخطاء، وهذا كما توضح الورقة غير ضروري اصلاًَ، لأن الريبوسوم حتى المرحلة الخامسة كان ينتج سلاسل ثنائية عشوائية، وجود نظام لتصحيح الأخطاء ليس ضرورياً لأنه لا توجد اصلاً كودونات يتم تشفيرها حتى يكون هناك حاجة الى تصحيحها.

ليكون قد اكتمل الريبوسوم بشكله الحالي الذي نراه اليوم (حصلت بعد التعديلات البسيطة جداً لاحقاً مع تطور الحيوانات حقيقية النواة) ويمكننا ان نرى تطور الريبوسوم تدريجياً من خلال هذه الصور التي نجدها في الملفات التكميلية لورقة 2015:

6- في هذه المرحلة يتم الإنتهاء من بناء النواة المشتركة common core للrRNA ويتم تحسين الكود الجيني. سطح الريبوسوم اصبح عبارة عن نسيج متكامل من الrRNA والبروتينات الريبوسومية الناضجة (التي تنتج من النفق). العديد من ادراجات AES/aes المكتسبة هنا تعمل كمواقع ارتباط للمجالات الكروية للبروتينات الريبوسومية. في الLSU يتكون ساق L1 المسؤول عن نقل tRNA من المنطقة P الى المنطقة E من AES 39/43-44. ويستمر نمو نفق الخروج. في الSSU يكتمل النطاق '5 بواسطة ادراجات aes 17-19/26 ويكتمل النطاق M'3 والرأس والجسم بواسطة ادراجات aes 22-23/25 ويكتمل النطاق C بواسطة ادراجات aes 20-21/24/20a، وكما هو الحال في الLSU تتكامل هذه الإضافات من الrRNA الى سطح الSSU مع البروتينات الريبوسومية، مع المزيد من الإضافات الأخرى.