أدلة التطور

توضيح: الورقة الأخيرة لم تخضع لمراجعة الأقران لذا الإستشهاد بها هنا ضعيف، ومع ذلك فأنا لا احتاجها في اثباتي اصلا، لأن التفاصيل نفسها مذكورة بتفصيل أقل في التي تسبقها (https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.07.22.604496v1)

8- نشوء كل من المحرك Motor والعضو الثابت Stator: في هذه المرحلة تحول نظام الإفراز الى محرك دوراني حقيقي، كما ذكرت الMotor والStator تتكون من معقدات MotAB يعني MotA وMotB وتسمى bacterial flagellar ion transporters إختصارا FIT، وتشترك مع معقدات أخرى ExbBD وTolQR تسمى bacterial generic ion transporters اختصاراً GIT.[34] والتي بدورها تكونت اصلاً من معقدات شبيهة بGIT.[35]

7- زيادة الكفاءة: حتى هذه اللحظة عمل النظام ككل بكفاءة ضعيفة جداً لأنه كان يعتمد كلياً على القوة الدافعة التي تنتج عن اندفاع البروتون وحدها، وهذا بوضوح يعني كفاءة قليلة جداً. فمن أجل هذه المشكلة تكون المعقد FliHIJ من البروتينات Flil, FliH, FliJ، والذي يعمل بالشكل التالي:[31][32][33] - يلتقط المعقد FliH2l البروتين المراد إفرازه الى الخارج - ينقله الى الحلقة C-ring وحلقة FlhAC مع البروتين FliJ الذي يعمل كوسيط - يرتبط المعقد FliHIJ مع منصة ارساء FlhAC-FlhBC لتدفع البروتين المطلوب الى الدخول الأولي في البوابة (التي تفرزه الى خارج الخلية) - تنتج الطاقة الكيميائية المشتقة من تحلل ATP (من البروتين Flil كما ذكرنا قبل قليل) تغييراً يطلق البروتين المطلوب الى داخل البوابة - التحلل المائي لATP يحول البوابة الى وضع عالي الكفاءة بشدة قوة دافعة أيونية تُخرِج البروتين المطلوب الى خارج الخلية يزيد المعقد الجديد FliHIJ من كفاءة نظام الإفراز بشكل واضح جداً وعملي، وهو ما سهّل اكتمال السوط لاحقاً.

6- نشوء الحلقة C-ring: نشأت الحلقة C-ring من بروتينات FliG, FliM, FliN التي نشأت بدورها من تضاعف بروتينات أخرى سلفية، لتكمل 24 بروتيناً في النظام وهي البروتينات الأساسية الموجودة في كل السياط البكتيرية. أضافت الحلقة C-ring قدرة التحكم في اتجاه الدوران وارتبطت بالبوابة او المسام التي تخرج منها الإفرازات.[30]

5- ارتبط المعقد الناشئ FliP5Q4R1 بنظام ATP Synthase وتحديداً F-type ATP Synthase لمد الإفرازات بالطاقة.

4- تشكل نظام الإفراز الكامل: بعد تشكل كل من FliF, FliQ, FliR, FliP تندمج هذه البروتينات مع الغشاء بالتتابع لتشكب مسام بنيوي بتعقيد FliP5Q4R1، يحاط هذا المركب المعقد بوحدة FlhB وحلقة FlhA تساعية nonameric، يتيح هذا التحول للنظام القدرة الكاملة على افراز مكونات داخلية الى الخارج (مثل نظام الإفراز T3SS).[29] وقد تكون هذه هي النقطة التي تفرع منها كل من السوط البكتيري والT3SS الى انواع بكتيريا مختلفة، لأن نظام الT3SS نفسه قد تطور من نظام أصلي لإفراز المكونات الداخلية الى الخارج والذي تطور لاحقاً ليصبح virulence factors. وهذه هي النقطة المشتركة المثالية بين كل من السوط والT3SS.

3- نشوء الحلقة MS: تطورت حلقة MS-ring والتي تتكون من تكرارات بروتين FliF لتستخدم كل من الحلقة C-ring وATPase في السيتوبلازم لتشكل مركب معقد قادر على تصدير بروتينات الخطاف الى الخارج عبر المسام المركزية.[27] بروتين FliF نفسه تطور من دمج وتوظيف بروتينات غشائية قديمة مثل SctJ وSpoIIIAG.[28]

2- تكون نفق بروتيني: تكون نفق بروتيني عبر الغشاء الداخلي حيث تجمعت البروتينات (التي ستكون لاحقاً كل من الخطاف والخيط) من الداخل الى الخارج، فتكون اقدم البروتينات هي الأقرب لغشاء السيتوبلازم حتى الأحدث التي تكون هي الأبعد عنه، متشكلة عبر الغشاء الداخلي ثم ممتدة الى الخارج في شكل خطاف وخيط.[25] البروتينات التي تجمعت لتشكل النفق الأولي هي بروتينات غشائية صغيرة وهي FliR, FliQ, FliP وFlhB، والتي تطورت اصلاً من virulence factors موجودة في بكتيريا أخرى من بروتينات Spa24, Spa9, Spa29 وSpa40 على الترتيب، ما يعني ان هناك عائلة بروتينية سلفية كبرى تطورت منها تراكيب الغشاء الخلوي.[26]

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]