الأبواغ الداخلية

البوغ الداخلي هو بنية كامنة ، صلبة، وغير تكاثرية، تنتجها بعض أنواع البكتيريا من شعبة العصيات . ^{[ 1 ] [ 2 ]} يوحي اسم "البوغ الداخلي" بشكل يشبه البوغ أو البذرة ( كلمة " داخلي " تعني "داخلي")، ولكنه ليس بوغًا حقيقيًا (أي ليس نسلًا). إنه شكل خامل ومختزل تستطيع البكتيريا أن تختزل إليه نفسها. عادةً ما يبدأ تكوين البوغ الداخلي بنقص المغذيات، ويحدث عادةً في البكتيريا موجبة الجرام . في عملية تكوين البوغ الداخلي، تنقسم البكتيريا داخل جدارها الخلوي، ثم يبتلع أحد جانبيها الجانب الآخر. ^{[ 3 ]} تمكّن الأبواغ الداخلية البكتيريا من البقاء كامنة لفترات طويلة، حتى قرون. هناك العديد من التقارير عن أبواغ ظلت قابلة للحياة لأكثر من 10000 عام، كما زُعم إحياء أبواغ عمرها ملايين السنين. ورد تقرير واحد عن وجود أبواغ حية من بكتيريا Bacillus marismortui في بلورات ملحية عمرها حوالي 25 مليون سنة. ^{[ 4 ] [ 5 ]} عندما تصبح البيئة أكثر ملاءمة، يمكن للبوغ الداخلي أن يعيد تنشيط نفسه إلى حالة خضرية. لا تستطيع معظم أنواع البكتيريا تكوين أبواغ داخلية. ومن أمثلة أنواع البكتيريا التي يمكنها تكوين أبواغ داخلية: Bacillus cereus ، و Bacillus anthracis ، و Bacillus thuringiensis ، و Clostridium botulinum ، و Clostridium tetani . ^{[ 6 ]} لا يحدث تكوين الأبواغ الداخلية في العتائق أو حقيقيات النوى . ^{[ 7 ]}

يتكون البوغ الداخلي من الحمض النووي للبكتيريا ، والريبوسومات ، وكميات كبيرة من حمض ثنائي بيكولينيك . حمض ثنائي بيكولينيك مادة كيميائية خاصة بالبوغ، ويبدو أنها تساعد في قدرة الأبواغ الداخلية على الحفاظ على حالة السكون. تشكل هذه المادة الكيميائية ما يصل إلى 10% من الوزن الجاف للبوغ. ^{[ 3 ]}

تستطيع الأبواغ الداخلية البقاء على قيد الحياة دون مغذيات. وهي مقاومة للأشعة فوق البنفسجية ، والجفاف ، ودرجات الحرارة العالية، والتجمد الشديد، والمطهرات الكيميائية . وقد افترض فرديناند كوهن لأول مرة وجود أبواغ داخلية مقاومة للحرارة بعد دراسة نمو بكتيريا العصوية الرقيقة (Bacillus subtilis) على الجبن بعد غليه. شكلت فكرته القائلة بأن الأبواغ هي آلية التكاثر للنمو ضربة قوية للاقتراحات السابقة حول التولد التلقائي. يقول عالم الفيزياء الفلكية شتاين سيغوردسون : "هناك أبواغ بكتيرية حية تم العثور عليها على الأرض، عمرها 40 مليون سنة، ونعلم أنها شديدة المقاومة للإشعاع". ^{[ 8 ]} لا تؤثر العوامل المضادة للبكتيريا الشائعة، التي تعمل عن طريق تدمير جدران الخلايا النباتية، على الأبواغ الداخلية. وتوجد الأبواغ الداخلية عادةً في التربة والماء، حيث يمكنها البقاء لفترات طويلة. تُشكّل مجموعة متنوعة من الكائنات الدقيقة المختلفة "أبواغًا" أو "أكياسًا"، لكن الأبواغ الداخلية للبكتيريا موجبة الجرام ذات المحتوى المنخفض من الجوانين والسيتوزين هي الأكثر مقاومة للظروف القاسية. ^{[ 3 ]}

تستطيع بعض أنواع البكتيريا التحول إلى أبواغ خارجية، تُعرف أيضاً بالأكياس الميكروبية ، بدلاً من الأبواغ الداخلية. تُعدّ الأبواغ الخارجية والداخلية نوعين من مراحل "السبات" أو الخمول التي تُلاحظ في بعض أنواع الكائنات الدقيقة.

لا تتضمن دورة حياة البكتيريا بالضرورة عملية التبوغ. عادةً ما تُحفز هذه العملية بفعل الظروف البيئية المعاكسة، وذلك لضمان بقاء البكتيريا. لا تُظهر الأبواغ الداخلية أي علامات للحياة، ولذا يمكن وصفها بأنها كائنات حية خفية . تحافظ الأبواغ الداخلية على حيويتها إلى أجل غير مسمى، ويمكنها أن تنبت إلى خلايا نباتية في ظل الظروف المناسبة. وقد نجت الأبواغ الداخلية لآلاف السنين حتى حفزتها عوامل بيئية على الإنبات. وقد وُصفت بأنها أكثر الخلايا مقاومةً في الطبيعة. ^{[ 9 ]}

تُنتج البكتيريا بوغًا داخليًا واحدًا. يُحاط البوغ أحيانًا بغلاف رقيق يُعرف بالغلاف الخارجي ، والذي يُغطي غلاف البوغ . يعمل غلاف البوغ كمنخل يستبعد الجزيئات السامة الكبيرة مثل الليزوزيم ، وهو مقاوم للعديد من الجزيئات السامة ، وقد يحتوي أيضًا على إنزيمات تُشارك في الإنبات . في أبواغ بكتيريا العصوية الرقيقة ، يُقدّر أن غلاف البوغ يحتوي على أكثر من 70 بروتينًا، مُنظمة في طبقة داخلية وطبقة خارجية. ^{[ 10 ]} يُشير نمط حيود الأشعة السينية لأبواغ العصوية الرقيقة المُنقّاة إلى وجود مُكوّن ذي بنية دورية منتظمة، والذي افترض كادوتا وإيجيما أنه قد يكون مُكوّنًا من بروتين شبيه بالكيراتين. ^{[ 11 ]} مع ذلك، وبعد دراسات إضافية، خلصت هذه المجموعة إلى أن بنية بروتين غلاف البوغ تختلف عن الكيراتين. ^{[ 12 ]} عند تسلسل جينوم بكتيريا Bacillus subtilis ، لم يُعثر على أي نظير للكيراتين البشري. ^{[ 13 ]} تقع القشرة أسفل غلاف البوغ وتتكون من الببتيدوغليكان . يقع جدار النواة أسفل القشرة ويحيط بالبروتوبلاست أو نواة البوغ الداخلي. تحتوي النواة على الحمض النووي الصبغي للبوغ، وهو مُغلّف ببروتينات شبيهة بالكروماتين تُعرف باسم SASPs (بروتينات بوغية صغيرة قابلة للذوبان في الأحماض)، والتي تحمي الحمض النووي للبوغ من الأشعة فوق البنفسجية والحرارة. تحتوي النواة أيضًا على تراكيب خلوية طبيعية، مثل الريبوسومات والإنزيمات الأخرى ، ولكنها غير نشطة أيضيًا.

يشكل ثنائي بيكولينات الكالسيوم ما يصل إلى 20% من الوزن الجاف للبوغ الداخلي، والذي يُعتقد أنه يُثبّت الحمض النووي. قد يكون حمض ثنائي بيكولينيك مسؤولاً عن مقاومة البوغ للحرارة، وقد يُساعد الكالسيوم في مقاومة الحرارة وعوامل الأكسدة. مع ذلك، تم عزل طفرات مقاومة للحرارة ولكنها تفتقر إلى حمض ثنائي بيكولينيك، مما يُشير إلى وجود آليات أخرى تُساهم في مقاومة الحرارة. ^{[ 14 ]} توجد بروتينات صغيرة قابلة للذوبان في الأحماض (SASPs) في الأبواغ الداخلية. ترتبط هذه البروتينات بالحمض النووي بإحكام وتُكثّفه، وهي مسؤولة جزئيًا عن مقاومة الأشعة فوق البنفسجية والمواد الكيميائية المُتلفة للحمض النووي. ^{[ 3 ]}

قد يكون تصوير الأبواغ الداخلية تحت المجهر الضوئي صعبًا نظرًا لعدم نفاذية جدارها للأصباغ والملونات . فبينما تتلون بقية الخلية البكتيرية، يبقى البوغ الداخلي عديم اللون. وللتغلب على هذه المشكلة، تُستخدم تقنية تلوين خاصة تُسمى صبغة مولر ، والتي تُظهر البوغ الداخلي باللون الأحمر، بينما تتلون بقية الخلية باللون الأزرق. وهناك تقنية تلوين أخرى للأبواغ الداخلية وهي صبغة شيفر-فولتون ، التي تُلون الأبواغ الداخلية باللون الأخضر والأجسام البكتيرية باللون الأحمر. ويكون ترتيب طبقات الأبواغ كما يلي:

• إكسوسبوريوم
• غلاف الجراثيم
• قشرة الأبواغ
• جدار أساسي

يختلف موقع الأبواغ الداخلية بين أنواع البكتيريا، وهو أمر مفيد في تحديدها. الأنواع الرئيسية داخل الخلية هي الأبواغ الطرفية، وشبه الطرفية، والمركزية. تُرى الأبواغ الطرفية عند قطبي الخلية، بينما تقع الأبواغ المركزية تقريبًا في المنتصف. أما الأبواغ شبه الطرفية فهي تلك التي تقع بين هذين النوعين، وعادةً ما تُرى بعيدةً بما يكفي باتجاه القطبين ولكنها قريبة بما يكفي من المركز بحيث لا تُصنف ضمن الأبواغ الطرفية أو المركزية. وتُرى الأبواغ الجانبية أحيانًا.

من أمثلة البكتيريا التي تمتلك أبواغًا داخلية طرفية بكتيريا المطثية الكزازية (Clostridium tetani) ، وهي الممرض المسبب لمرض الكزاز . أما البكتيريا التي تمتلك أبواغًا داخلية مركزية فتشمل بكتيريا العصوية الشمعية (Bacillus cereus) . في بعض الأحيان، قد يكون حجم البوغ الداخلي كبيرًا جدًا لدرجة أن الخلية قد تتمدد حوله، وهذا ما يميز بكتيريا المطثية الكزازية .

في ظل ظروف المجاعة، وخاصة نقص مصادر الكربون والنيتروجين، تتشكل بوغة داخلية واحدة داخل بعض البكتيريا من خلال عملية تسمى التبوغ. ^{[ 15 ]}

عندما تستشعر البكتيريا أن الظروف البيئية أصبحت غير مواتية، قد تبدأ عملية تكوين الأبواغ الداخلية، والتي تستغرق حوالي ثماني ساعات. يتم تضاعف الحمض النووي (DNA)، ويبدأ جدار غشائي يُعرف باسم حاجز البوغ بالتشكل بينه وبين باقي الخلية. يحيط الغشاء البلازمي للخلية بهذا الحاجز وينفصل عنه تاركًا غشاءً مزدوجًا حول الحمض النووي، ويُعرف التركيب النامي الآن باسم البوغ الأولي. خلال هذه الفترة، يتم دمج ثنائي بيكولينات الكالسيوم، وهو ملح الكالسيوم لحمض ثنائي بيكولينيك، في البوغ الأولي. يساعد حمض ثنائي بيكولينيك على تثبيت البروتينات والحمض النووي في البوغ الداخلي. ^{[ 16 ] : 141} بعد ذلك، تتشكل قشرة الببتيدوغليكان بين الطبقتين، وتضيف البكتيريا غلافًا بوغيًا إلى السطح الخارجي للبوغ الأولي. في المراحل النهائية لتكوين البوغ الداخلي، يتم تجفيف البوغ الداخلي المتشكل حديثًا ويُترك لينضج قبل إطلاقه من الخلية الأم. ^{[ 3 ]} القشرة هي ما يجعل البوغ الداخلي مقاومًا للحرارة. تحتوي القشرة على غشاء داخلي يُعرف باللب. يُؤدي الغشاء الداخلي المُحيط بهذا اللب إلى مقاومة البوغ الداخلي للأشعة فوق البنفسجية والمواد الكيميائية القاسية التي تُدمر الميكروبات عادةً. ^{[ 3 ]} اكتملت عملية التبوغ، وسيتم إطلاق البوغ الداخلي الناضج عند تحلل الخلية الخضرية المُحيطة به.

تُقاوم الأبواغ الداخلية معظم العوامل التي من شأنها أن تقتل الخلايا الخضرية التي تشكلت منها. وعلى عكس الخلايا المُستعصية ، فإن الأبواغ الداخلية هي نتاج عملية تمايز مورفولوجي تُحفزها ندرة المغذيات (المجاعة) في البيئة؛ حيث تبدأ عملية تكوين الأبواغ الداخلية باستشعار النصاب داخل المجموعة "المُجاعة". ^{[ 16 ] : 141} معظم المطهرات، مثل منتجات التنظيف المنزلية والكحول ومركبات الأمونيوم الرباعية والمنظفات ، لها تأثير ضئيل على الأبواغ الداخلية. ومع ذلك، فإن عوامل التعقيم المؤلكلة، مثل أكسيد الإيثيلين ( ETO) ومحلول التبييض بتركيز 10%، فعالة ضد الأبواغ الداخلية. لقتل معظم أبواغ الجمرة الخبيثة ، يجب أن يكون محلول التبييض المنزلي القياسي (مع 10% من هيبوكلوريت الصوديوم ) على اتصال بالأبواغ لعدة دقائق على الأقل؛ إذ يمكن لنسبة ضئيلة جدًا من الأبواغ أن تعيش لأكثر من 10 دقائق في مثل هذا المحلول. ^{[ 17 ]} إن التركيزات الأعلى من المبيض ليست أكثر فعالية، ويمكن أن تتسبب في تجمع بعض أنواع البكتيريا وبالتالي بقائها على قيد الحياة.

على الرغم من مقاومتها العالية للحرارة والإشعاع، يمكن تدمير الأبواغ الداخلية بالحرق أو بالتعقيم الحراري (الأوتوكلاف) عند درجة حرارة تتجاوز غليان الماء، أي 100  درجة مئوية. تستطيع الأبواغ الداخلية البقاء على قيد الحياة عند 100  درجة مئوية لساعات، ولكن كلما زادت مدة التعرض، قلّ عددها. إحدى الطرق غير المباشرة لتدميرها هي وضعها في بيئة تُعيد تنشيطها إلى حالتها الخضرية. تنبت هذه الأبواغ في غضون يوم أو يومين في ظل الظروف البيئية المناسبة، وعندها يمكن تدمير الخلايا الخضرية، الأقل مقاومة من الأبواغ الداخلية، بسهولة. تُعرف هذه الطريقة غير المباشرة باسم "التندال" . كانت هذه الطريقة هي الشائعة لفترة من الزمن في أواخر القرن التاسع عشر قبل ظهور أجهزة التعقيم الحراري الرخيصة. كما أن التعرض المطول للإشعاع المؤين ، مثل الأشعة السينية وأشعة جاما ، يقتل معظم الأبواغ الداخلية.

تُستخدم الأبواغ الداخلية لأنواع معينة من البكتيريا (غير الممرضة عادةً)، مثل بكتيريا Geobacillus stearothermophilus ، كأدوات للتحقق من تعقيم الأدوات المعقمة بالبخار: توضع كبسولة صغيرة تحتوي على الأبواغ في جهاز التعقيم مع الأدوات؛ وبعد انتهاء دورة التعقيم، يُزرع محتوى الكبسولة للتحقق من نمو أي شيء. إذا لم ينمُ شيء، فهذا يعني أن الأبواغ قد دُمرت وأن عملية التعقيم قد نجحت. ^{[ 18 ]}

في المستشفيات، تُقضى على الأبواغ الداخلية الموجودة على الأدوات الجراحية الدقيقة، مثل المناظير، باستخدام معقمات أكسيد الإيثيلين منخفضة الحرارة وغير المسببة للتآكل. يُعد أكسيد الإيثيلين المعقم الوحيد منخفض الحرارة القادر على وقف تفشي العدوى على هذه الأدوات. ^{[ 19 ]} في المقابل، لا يقضي "التطهير عالي المستوى" على الأبواغ الداخلية، ولكنه يُستخدم لأدوات مثل منظار القولون التي لا تدخل تجاويف الجسم المعقمة. وتعتمد هذه الطريقة الأخيرة على الماء الدافئ والإنزيمات والمنظفات فقط.

تُقاوم الأبواغ الداخلية للبكتيريا المضادات الحيوية ، ومعظم المطهرات، والعوامل الفيزيائية كالإشعاع والغليان والتجفيف. ويُعتقد أن عدم نفاذية غلاف البوغ هو المسؤول عن مقاومته للمواد الكيميائية. أما مقاومته للحرارة فتعود إلى عدة عوامل.

• قد يعمل ثنائي بيكولينات الكالسيوم، الموجود بكثرة داخل البوغ الداخلي، على تثبيت وحماية الحمض النووي للبوغ الداخلي.
• تعمل البروتينات الصغيرة القابلة للذوبان في الأحماض (SASPs) على تشبيع الحمض النووي للخلايا الداخلية للجراثيم وحمايته من الحرارة والجفاف والمواد الكيميائية والإشعاع. كما أنها تعمل كمصدر للكربون والطاقة لنمو البكتيريا الخضرية أثناء الإنبات.
• قد تقوم القشرة بإزالة الماء من داخل البوغ الداخلي عن طريق التناضح، ويُعتقد أن الجفاف الناتج مهم جدًا في مقاومة البوغ الداخلي للحرارة والإشعاع.
• وأخيرًا، فإن إنزيمات إصلاح الحمض النووي الموجودة داخل الأبواغ الداخلية قادرة على إصلاح الحمض النووي التالف أثناء الإنبات.

تحدث إعادة تنشيط البوغ الداخلي عندما تصبح الظروف أكثر ملاءمة ، وتشمل التنشيط والإنبات والنمو . حتى لو كان البوغ الداخلي موجودًا في بيئة غنية بالعناصر الغذائية، فقد لا ينبت ما لم يتم تنشيطه. ويمكن تحفيز ذلك بتسخين البوغ الداخلي. يتضمن الإنبات بدء البوغ الداخلي الخامل نشاطه الأيضي، وبالتالي كسر حالة السبات. ويتميز عادةً بتمزق أو امتصاص غلاف البوغ، وانتفاخ البوغ الداخلي، وزيادة النشاط الأيضي، وفقدان مقاومة الإجهاد البيئي.

يتبع النمو الخارجي عملية الإنبات ويتضمن قيام لب البوغ الداخلي بتصنيع مكونات كيميائية جديدة والخروج من غلاف البوغ القديم للتطور إلى خلية بكتيرية نباتية كاملة الوظائف، والتي يمكنها الانقسام لإنتاج المزيد من الخلايا.

تحتوي الأبواغ الداخلية على خمسة أضعاف كمية الكبريت الموجودة في الخلايا الخضرية. يتركز هذا الكبريت الزائد في أغلفة الأبواغ على شكل حمض أميني، وهو السيستين . يُعتقد أن الجزيء الضخم المسؤول عن الحفاظ على حالة السكون له غلاف بروتيني غني بالسيستين، مُثبَّت بروابط ثنائية الكبريتيد. قد يؤدي انخفاض هذه الروابط إلى تغيير البنية الثالثية، مما يتسبب في تفكك البروتين. يُعتقد أن هذا التغير في بنية البروتين مسؤول عن كشف المواقع الإنزيمية النشطة الضرورية لإنبات الأبواغ الداخلية. ^{[ 20 ]}

يمكن للأبواغ الداخلية أن تبقى كامنة لفترة طويلة جدًا. على سبيل المثال، عُثر على أبواغ داخلية في مقابر الفراعنة المصريين. وعند وضعها في وسط مناسب، وفي ظل ظروف ملائمة، أمكن إعادة تنشيطها. في عام 1995، اكتشف راؤول كانو من جامعة ولاية كاليفورنيا للفنون التطبيقية أبواغًا بكتيرية في أمعاء نحلة متحجرة محتجزة في كهرمان من شجرة في جمهورية الدومينيكان . وقد قُدِّر عمر النحلة المتحجرة في الكهرمان بحوالي 25 مليون سنة. نبتت الأبواغ عندما تم كسر الكهرمان واستخراج المادة من أمعاء النحلة ووضعها في وسط غذائي. بعد تحليل الأبواغ بالمجهر، تبيّن أن الخلايا تشبه إلى حد كبير بكتيريا ليسينيباسيلوس سفيريكوس الموجودة في النحل في جمهورية الدومينيكان اليوم. ^{[ 16 ]}

باعتبارها نموذجًا مبسطًا لتخصص الخلايا ، فقد دُرست التفاصيل الجزيئية لتكوين الأبواغ الداخلية على نطاق واسع، وتحديدًا في الكائن النموذجي Bacillus subtilis . وقد أسهمت هذه الدراسات بشكل كبير في فهمنا لتنظيم التعبير الجيني ، وعوامل النسخ ، ووحدات عامل سيجما الفرعية لإنزيم بوليميراز الحمض النووي الريبي .

استُخدمت الأبواغ الداخلية لبكتيريا العصوية الجمرية في هجمات الجمرة الخبيثة عام ٢٠٠١. وتكوّن المسحوق الموجود في الرسائل البريدية الملوثة من هذه الأبواغ. أدى هذا التوزيع المتعمد إلى ٢٢ حالة إصابة مؤكدة بالجمرة الخبيثة (١١ حالة استنشاق و١١ حالة جلدية). بلغت نسبة الوفيات بين مرضى الجمرة الخبيثة الاستنشاقية ٤٥٪ (٥ من ١١). تعافى ستة أشخاص آخرون مصابون بالجمرة الخبيثة الاستنشاقية، بالإضافة إلى جميع المصابين بالجمرة الخبيثة الجلدية. ولولا العلاج بالمضادات الحيوية، لكان هذا العدد على الأرجح أعلى. ^{[ ١٦ ]}

يتطلب تكوين الأبواغ وجود الأكسجين الحر. في الظروف الطبيعية، يعني هذا أن دورات النمو الخضري تحدث في بيئة منخفضة الأكسجين داخل العائل المصاب، ويكون الكائن الحي داخل العائل في طور النمو الخضري فقط. بمجرد خروجه من العائل، يبدأ تكوين الأبواغ عند تعرضه للهواء، وتُعدّ الأبواغ الطور الوحيد الموجود في البيئة. ^{[ 21 ] [ 22 ]}

تشمل أمثلة البكتيريا المُكوِّنة للأبواغ الداخلية الأجناس التالية:

• ماريس أ. هاسي وآن زاييتز – بروتوكول تلوين الأبواغ الداخلية – مكتبة الميكروبات ( الجمعية الأمريكية لعلم الأحياء الدقيقة )
• الأبواغ الداخلية - صفحة نصية موجزة في علم الأحياء الدقيقة
• الأخضر المالاكيت – تقنية تلوين الأبواغ الداخلية (فيديو)
• مقاومة الأبواغ الداخلية للبكتيريا العصوية للبيئات الأرضية والفضائية القاسية