مقاله
در اعماق اقیانوس، جلبک‌های قهوه‌ای و دیاتوم‌ها مولکول کربوهیدرات پیچیده‌ای به نام «فوکوئیدان» (fucoidan) تولید می‌کنند که به تشکیل لایه محافظ بیرونی جلبک کمک می‌کند. تجزیه مولکول فوکوئیدان برای میکروب‌ها بسیار دشوار است؛ زیرا ساختار شیمیایی آن شامل ده‌ها پیوند و الگوی انشعابی مختلف است که از گونه‌ای به گونه دیگر جلبک تفاوت دارد. این مقاومت در برابر تجزیه، یکی از دلایل اهمیت فوکوئیدان به شمار می‌رود؛ هنگامی که میکروب‌ها در تجزیه آن ناکام می‌مانند، فوکوئیدان می‌تواند به اعماق اقیانوس فرورود، کربن را با خود به ژرفا ببرد و آن را برای دوره‌های طولانی ذخیره کند. این سازوکار می‌تواند فوکوئیدان را به بازیگری مهم در چرخه کربن اقیانوس تبدیل کند.
سال‌ها دانشمندان باکتری‌های منفردی را می‌شناختند که قادر به تجزیه بخش‌هایی از فوکوئیدان بودند، اما یک پرسش بنیادین بی‌پاسخ مانده بود: آیا یک جامعه میکروبی می‌تواند آن را به‌طور کامل تجزیه کند و اگر چنین است، چگونه؟
اکنون پژوهش جدیدی با دسترسی آزاد در نشریه Nature پاسخی برای این پرسش ارائه داده است.
کوردرو می‌گوید: «هیچ باکتری منفردی نمی‌تواند این فرایند را به‌تنهایی به پایان برساند. در عوض، فوکوئیدان از طریق یک کار گروهی تجزیه می‌شود. سویه‌های مختلف باکتری در بخش‌های گوناگون این مولکول تخصص می‌یابند و تلاش مشترک آن‌ها، این کار را بسیار کارآمدتر از توانایی هر جاندار به‌صورت انفرادی پیش می‌برد.»
معمایی با ۴۵۳ تکه
تیم پژوهشی برای درک چگونگی تجزیه فوکوئیدان در طبیعت، جامعه‌ای باکتریایی از تجزیه‌کنندگان فوکوئیدان را از نمونه‌های آب‌های ساحلی غنی‌سازی و جداسازی کردند. یافته‌های آن‌ها شگفت‌انگیز بود: بیش از ۴۵۳ ژن مختلف، که هر کدام مسئول تولید آنزیمی مؤثر بر فوکوئیدان هستند، در هشت سویه باکتریایی جداسازی‌شده توزیع شده بودند. هیچ‌یک از این سویه‌ها به‌تنهایی قادر به تجزیه کامل مولکول نبودند.
اما زمانی که پژوهشگران از روش نوین و سریعی در طیف‌سنجی جرمی استفاده کردند، توانستند نحوه مصرف بلوک‌های سازنده قندی را توسط باکتری‌ها مشاهده کنند و در این میان، الگویی شفاف پدیدار شد: تمام آن پیچیدگی ژنتیکی را می‌شد به دو نقش اصلی خلاصه کرد. برخی از سویه‌های باکتریایی در تجزیه «اسکلت اصلی» غنی از فوکوز فوکوئیدان تخصص داشتند، در حالی که برخی دیگر در حذف شاخه‌های جانبی آن، که حاوی قندهای کمتر رایجی چون زایلوز و گالاکتوز هستند، متخصص بودند.
هنگامی که سویه‌های عهده‌دار این دو نقش با یکدیگر ترکیب شدند، پدیده‌ای درخور توجه رخ داد: میزان تجزیه صرفاً یک جمع جبری ساده نبود، بلکه حالتی هم‌افزا (سینرژیک) یافت و فراتر از پیش‌بینی‌های حاصل از فعالیت انفرادی باکتری‌ها عمل کرد. هرچه تمایل سویه‌ها برای مصرف قند مکمل‌تر بود، این اثر تقویتی نیز شدیدتر می‌شد. در برخی موارد، جوامع جفت‌شده تقریباً این پلی‌ساکارید پیچیده را به‌طور کامل تجزیه کردند.
کوردرو می‌افزاید: «تجزیه یکی از فراوان‌ترین ذخایر کربن اقیانوس بر پایه تقسیم کار استوار است؛ نه تقسیم کار میان سویه‌های خاص، بلکه میان نقش‌های عملکردی.»
تبدیل پیچیدگی به قابلیت پیش‌بینی
شگفت‌انگیزترین دستاورد این بود که تقسیم کار یادشده، رفتار کل سیستم را بسیار پیش‌بینی‌پذیرتر از پیچیدگی ساختاری آن کرد.
پژوهشگران مدلی ساده توسعه دادند که فعالیت باکتری‌ها را در دو رده کلی دسته‌بندی می‌کرد: مصرف فوکوز و مصرف قندهای کمیاب‌تر موجود در زنجیره‌های جانبی فوکوئیدان. آن‌ها مدل را با استفاده از داده‌های جوامع کوچک، متشکل از یک تا سه سویه باکتریایی، آموزش دادند.
این مدل ساده‌شده توانست تجزیه را در جوامعی با حداکثر هفت سویه با دقت پیش‌بینی کند و پیش‌بینی‌های آن برای ۹ ساختار متفاوت فوکوئیدان از گونه‌های دیگر جلبک نیز تعمیم‌پذیر بود.
کوردرو خاطرنشان می‌کند: «دستیابی به درک پیش‌بینانه از یک سیستم پیچیده نیازی به شناسایی تک‌تک اجزای آن ندارد، بلکه مستلزم یافتن ساده‌سازی مناسب است.» این یافته نشان می‌دهد که دانشمندان می‌توانند کارایی تجزیه سایر مواد زیستی پیچیده و غنی از کربن را در طبیعت پیش‌بینی کنند، حتی زمانی که جزئیات شیمیایی دقیق و آنزیم‌های درگیر در آن‌ها تنها تا حدی شناخته شده باشد.
پژوهشگران همچنین دریافتند که باکتری‌های دارای قابلیت‌های مکمل، اغلب در نمونه‌های طبیعی اقیانوس نیز در کنار هم حضور دارند؛ واقعیتی که نشان می‌دهد تقسیم کار مشاهده‌شده در آزمایشگاه، در محیط طبیعی دریا نیز نقشی کلیدی ایفا می‌کند.
پیامدهای این کشف فراتر از قلمرو میکروبیولوژی است.
پژوهشگران مفهومی با عنوان «تجزیه محدود به تنوع» (diversity-limited degradation) را مطرح می‌کنند که بر مبنای آن، در غیاب ترکیب مناسبی از باکتری‌های متخصص و مکمل، فوکوئیدان به‌جای تجزیه شدن، برای مدت بیشتری پایدار می‌ماند. این مفهوم می‌تواند دلیل ماندگاری بخشی از کربن جلبکی در اقیانوس برای دوره‌های طولانی و نقش آن را در ذخیره‌سازی بلندمدت کربن تبیین کند.
در حوزه زیست‌فناوری نیز دستاورد این پژوهش راهگشاست. به‌جای تلاش برای مهندسی ژنتیکی یک «ابر‌باکتری» منفرد برای هضم زیست‌توده‌های سخت و پیچیده، رویکرد مؤثرتر می‌تواند گردهم‌آوردن مجموعه‌ای از میکروب‌ها باشد که از پیش برای انجام وظایف مکمل تخصص یافته‌اند. این گروه‌های میکروبی را می‌توان برای فرآوری زیست‌توده جلبک‌های قهوه‌ای و دیگر پلی‌ساکاریدهای پیچیده در مقیاس صنعتی به کار گرفت.
چشم‌انداز آینده
چشم‌انداز وسیع‌تر این پژوهش، بیش از آنکه به خود مولکول فوکوئیدان وابسته باشد، در رویکرد علمی آن نهفته است. اگر بتوان صدها آنزیم ناشناخته را به دو ویژگی قابل‌اندازه‌گیری تقلیل داد، می‌توان از همین راهبرد برای بررسی سایر زیست‌پلیمرهایی که تاکنون ساختار شیمیایی پیچیده‌ای داشته‌اند، و همچنین پیش‌بینی رفتار جوامع میکروبی در مقیاس گسترده‌تر بهره جست.
کوردرو می‌گوید: «ما با سیستمی متشکل از صدها آنزیم مواجه بودیم که بر مولکولی با ساختار هنوز توصیف‌نشده اثر می‌گذاشتند، اما مشخص شد که مدل‌سازی آن بسیار ساده‌تر از تصورات اولیه است. دریافتیم که سطحی از سازمان‌دهی فراتر از آنزیم‌های منفرد وجود دارد؛ سطحی متناظر با ویژگی‌هایی که می‌توان آن‌ها را سنجید و وارد مدل‌های ساده‌ای کرد تا عملکرد را بر اساس ترکیب ژنومی پیش‌بینی کنند. هنگامی که زیست‌شناسی پیچیده و رام‌نشدنی به نظر می‌رسد، شاید هنوز به سطح مناسبی از توصیف پدیده‌ها دست نیافته‌ایم.»
یک پرسش اساسی که این پژوهش بی‌پاسخ می‌گذارد این است: فوکوئیدان همواره ماده‌ای فراوان در طبیعت بوده است، پس چرا هیچ باکتری‌ای طوری فرگشت نیافته تا آن را به‌طور کامل مصرف کند؟ پژوهشگران دو پاسخ محتمل را مطرح می‌کنند: محدودیت‌های درونی در مسیرهای متابولیسم قند، و پویایی‌های فرگشتی که در آن‌ها متخصصان مکمل، به‌جای ادغام در یک جاندار، همواره به‌صورت مجزا بازتولید می‌شوند.
کوردرو در پایان تأکید می‌کند: «این پرسش در اصل به نحوه سازمان‌یابی حیات بر روی کره زمین مربوط می‌شود: چرا عملکردهای بیوشیمیاییِ هدایت‌کننده چرخه‌های عناصر در سیاره، به‌جای تمرکز در گونه‌هایی اندک، میان جانداران متعددی توزیع شده‌اند؟ پاسخ به این پرسش، یکی از مرزهای بنیادین علوم زیستی است.»
