أوركسترا

النباتات تؤدي العمليات الحسابية الجزيئية

يوجه القسمة الحسابية استخدام النباتات للطاقة في الليل.

بقلم: هايدي ليدفورد

ترجمة: الدكتور حسين سرمك حسن

كما لو أن صنع الطعام من الضوء لم يكن مثيرًا للإعجاب بدرجة كافية، فقد يكون الوقت قد حان لإضافة مهارة متقدمة أخرى إلى الذخيرة النباتية: القدرة على أداء - على المستوى الجزيئي على الأقل - التقسيم الحسابي arithmetic division.

توضح النماذج المولدة بالحاسوب المنشورة في مجلة eLife كيف يمكن للنباتات استخدام الرياضيات الجزيئية لتنظيم المعدل الذي تلتهم به احتياطيات النشا لتوفير الطاقة طوال الليل، عندما تكون الطاقة من الشمس خارج القائمة. إذا كان الأمر كذلك، كما يقول المؤلفون، فسيكون هذا أول مثال على القسمة الحسابية في علم الأحياء.

لكنها قد لا تكون الوحيدة: تمر العديد من الحيوانات بفترات صيام - أثناء فترات السبات أو الهجرة، على سبيل المثال - ويجب عليها تقنين مخازن الطاقة الداخلية بعناية من أجل البقاء على قيد الحياة. قد يكون فهم كيفية حدوث التقسيم الحسابي على المستوى الجزيئي مفيدًا أيضًا لمجال البيولوجيا التركيبية الشاب، حيث يبحث المهندسون الوراثيون عن طرق معيارية للعبث بالمسارات الجزيئية لإنشاء أجهزة بيولوجية جديدة.

يقول رودريجو جوتيريز، عالم بيولوجيا أنظمة النبات في الجامعة البابوية الكاثوليكية في تشيلي في سانتياغو، والذي لم يشارك في العمل: "هذا إطار جديد لفهم التحكم في عمليات التمثيل الغذائي". "يمكنني التفكير على الفور في تطبيقه على مشاكل أخرى."

* قسِّمْ وعُشْ

Divide and survive

النباتات تجعل احتياطيات النشا التي تنتجها خلال النهار تدوم على وجه التحديد حتى الفجر. اعتقد الباحثون ذات مرة أن النباتات تكسّر النشا بمعدل ثابت أثناء الليل. لكنهم لاحظوا بعد ذلك أن الحشيش الضئيل Arabidopsis thaliana، وهو نبات مفضل للعمل المخبري، يمكن أن يعيد حساب هذا المعدل أثناء الطيران؟ عندما يتعرض لليلٍ غير عادي مبكرًا أو متأخرًا.

بالنسبة لأليسون سميث ومارتن هوارد من مركز جون إينيس في نورويتش بالمملكة المتحدة وزملائهما، فإن هذا يشير إلى أن الحساب الجزيئي الأكثر تعقيدًا كان قيد العمل. افترض الفريق وجود جزيئين: أحدهما، S، يخبر النبات بكمية النشا المتبقية، والآخر، T، يخبره عن الوقت المتبقي حتى الفجر.

قام الباحثون ببناء نماذج رياضية لإثبات أنه، من حيث المبدأ، يمكن أن تؤدي تفاعلات مثل هذه الجزيئات بالفعل إلى زيادة معدل تكسير النشا بحيث تعكس حسابًا مستمرًا لتقسيم كمية النشا المتبقية على مقدار الوقت حتى الفجر.

على سبيل المثال، توقعت النماذج أن تقوم النباتات بضبط معدل تكسير النشا إذا انقطع الليل بفترة من الضوء. خلال تلك الفترة من الضوء، يمكن للنباتات أن تنتج النشا مرة أخرى. عندما انطفأت الأنوار مرة أخرى، يجب أن يتكيف معدل انهيار النشا مع تلك الزيادة في النشا المخزن، كما توقعت النماذج - وهي نتيجة أكدها الباحثون في نباتات Arabidopsis.

ثم بحث الفريق في الأدبيات بحثًا عن طفرات نبات الأرابيدوبسيس مع إعاقات معروفة في خطوات مختلفة على طول مسار تحلل النشا. أظهرت هذه النماذج أن النماذج كانت متوافقة مع سلوك هذه الطفرات، مما يؤدي إلى بقاء كمية أكبر من المعتاد من النشا في نهاية الليل.

* مبادىء بسيطة

للعثور على البروتينات التي قد تتفاعل بشكل مباشر مع نظام حساب S / T المفترض، عرّض الباحثون أيضًا هذه الطفرات إلى ليلة مبكرة بشكل غير متوقع - وهي حالة من شأنها أن تؤدي عادةً إلى إبطاء عمل النباتات في تكسير النشا. وجدوا متحولا واحدا (طافر أو متحوِّر mutant) لا يمكن أن يغير معدل استهلاك النشا استجابة لهذا الموقف. يشير ذلك إلى أن الجين المتحور، المسمى PWD، ينظم عادة هذه الاستجابة، وقد يكون لاعبًا مهمًا في الحسابات الجزيئية للنبات.

يقول رودريجو جوتيريز أن مفهوم التقسيم الحسابي البيولوجي يوفر مبدأ نمذجة بسيطًا يمكن أن يحفّز طرقًا جديدة للنظر في التمثيل الغذائي، على الرغم من أنه غير مقتنع بعد بأن النباتات تنفذ التقسيم بالطريقة التي يقترحها النموذج. يقول: "لست متأكدًا مما إذا كان النبات يفعل ذلك حقًا". "لكنها طريقة رائعة."

يلاحظ مارتن هوارد أن سلسلة التفاعلات الكامنة وراء مثل هذه العمليات ليست غير عادية، ويمكن للمرء أن يتخيل بسهولة سيناريوهات أخرى تساعد فيها التفاعلات الكيميائية الخلايا على إجراء عمليات حسابية أبسط، مثل الجمع أو الطرح أو الضرب. يقول هوارد إن تحقيق قفزة مفاهيمية إلى التفكير في ردود الفعل هذه على أنها تنفيذ وظائف حسابية كان خطوة مهمة في صنع نموذجه، وساعد الفريق في العودة إلى تنبؤات قابلة للاختبار.

يقول هوارد: "نحن نتعامل مع عملية بيولوجية أساسية في الخلايا تقوم بحسابات حسابية معقدة". "لم يفكر أحد حقًا في القيام بذلك بهذه الطريقة من قبل."

...........................

* هذا رابط المقالة ويمكن الرجوع إليه لمقالات أخرى أعجب/

https://www.nature.com/news/plants-perform-molecular-maths-1.13251

* هذه ترجمة لمقالة:

Plants perform molecular maths

Arithmetic division guides plants' use of energy at night.

Heidi Ledford

NATURE

24 June 2013