الترميز الجيني للحمض النووي الميكروبي

الترميز الشريطي للحمض النووي الميكروبي هو استخدام الترميز الشريطي الفائق للحمض النووي لتوصيف خليط من الكائنات الحية الدقيقة . وهو أسلوب من أساليب الترميز الشريطي للحمض النووي يستخدم علامات وراثية عالمية لتحديد الحمض النووي لخليط من الكائنات الحية. ^{[ 1 ]}

يُعدّ استخدام الترميز الجيني الفائق لتقييم المجتمعات الميكروبية ممارسةً قديمة. ففي عام 1972، حاول كارل ووز وميتشل سوغين وستيفن سوغين لأول مرة الكشف عن عدة عائلات داخل البكتيريا باستخدام جين 5S rRNA . ^{[ 2 ]} وبعد بضع سنوات فقط، اقترح ووز وز وزملاؤه شجرة حياة جديدة بثلاثة نطاقات ، وكانوا أول من استخدم جين الوحدة الفرعية الصغيرة من الحمض النووي الريبوزي (SSU rRNA) للتمييز بين البكتيريا والعتائق وحقيقيات النوى . ^{[ 3 ]} وبفضل هذا النهج، أصبح جين SSU rRNA أكثر المؤشرات الجينية استخدامًا لكل من بدائيات النوى (16S rRNA) وحقيقيات النوى ( 18S rRNA ). وقد تم تجاوز عملية استنساخ أجزاء الحمض النووي الشاقة للتسلسل بمجرد تحسن تقنيات التسلسل. مع تطور تقنية التسلسل عالي الإنتاجية (HTS) في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين والقدرة على التعامل مع هذه البيانات الضخمة باستخدام المعلوماتية الحيوية الحديثة وخوارزميات التجميع، أصبح التحقيق في الحياة الميكروبية أسهل بكثير.

لكل نوع اختلافات جينية مميزة عن الأنواع الأخرى. لذا، يُمكن تحديد الأنواع المختلفة بتضخيم تسلسل قصير من الحمض النووي من جزء قياسي من الجينوم. يُعرف هذا التسلسل القصير بتسلسل الباركود . لكي يُستخدم جزء محدد من جينوم كائن حي كباركود، يجب أن يكون هناك تباين كبير في تسلسل الحمض النووي بين نوعين مختلفين ، ولكن ليس اختلافات كثيرة في الجين بين فردين من النوع نفسه. ^{[ 4 ] [ 5 ]} يُستخدم جين 16S rRNA/rDNA لكل من البكتيريا والعتائق. وهو جين أساسي شائع في جميع الكائنات بدائية النواة، ولذلك يُستخدم كباركود قياسي لتقييم تنوع بدائيات النواة. أما بالنسبة للطلائعيات، فيُستخدم جين 18S rRNA/rDNA المقابل. ^{[ 6 ]} ولتمييز أنواع الفطريات المختلفة، تُستخدم منطقة ITS ( الفاصل المنسوخ الداخلي ) من جين الريبوسوم. ^{[ 7 ]}

لم يُكشف النقاب بعد عن التنوع الهائل لعالم الميكروبات، على الرغم من معرفتنا بأنه يتألف بشكل رئيسي من البكتيريا والفطريات وحقيقيات النوى وحيدة الخلية. ^{[ 4 ]} يتطلب التصنيف التكسونومي لحقيقيات النوى الميكروبية خبرةً فائقة، وغالبًا ما يكون صعبًا نظرًا لصغر حجم الكائنات الحية، وتجزؤها، وتنوعها الخفي ، ووجود أنواع مُستترة . ^{[ 8 ] [ 9 ]} علاوة على ذلك، لا يمكن تصنيف بدائيات النوى باستخدام الطرق التقليدية كالمجهر ، لصغر حجمها وعدم إمكانية تمييزها شكليًا . لذلك، وباستخدام تقنية الترميز الجيني الفائق، يُمكن تحديد الكائنات الحية دون الحاجة إلى خبرة تصنيفية، وذلك بمطابقة أجزاء جينية قصيرة مُستخلصة من تسلسلات عالية الإنتاجية (HTS) مع قاعدة بيانات تسلسل مرجعية، مثل NCBI . ^{[ 10 ]} هذه الخصائص تجعل الترميز الجيني طريقةً فعّالة من حيث التكلفة، وموثوقة، وأقل استهلاكًا للوقت، مقارنةً بالطرق التقليدية، لتلبية الحاجة المتزايدة لإجراء تقييمات بيئية واسعة النطاق.

أعقبت العديد من الدراسات الاستخدام الأول لتقنية الترميز الفائق للبكتيريا (Metabarcoding) من قِبل ووز وآخرون، وهي تغطي الآن مجموعة متنوعة من التطبيقات. لا يقتصر استخدام هذه التقنية على البحوث البيولوجية أو البيئية فحسب، بل يُستخدم أيضًا في الطب وعلم الأحياء البشري، حيث تُستخدم الرموز الشريطية البكتيرية، على سبيل المثال، لدراسة الميكروبيوم واستعمار البكتيريا للأمعاء البشرية لدى التوائم الطبيعية والبدينة ^{[ 11 ]} ، أو في دراسات مقارنة لتكوين بكتيريا الأمعاء لدى حديثي الولادة والأطفال والبالغين ^{[ 12 ]} . بالإضافة إلى ذلك، يلعب الترميز دورًا رئيسيًا في الرصد البيولوجي، على سبيل المثال، للأنهار والجداول ^{[ 13 ]} ، وفي استعادة المراعي ^{[ 14 ]} . كما يعتمد علم الطفيليات الحفظي، وعلم الطفيليات البيئية، وعلم الطفيليات القديمة على الترميز كأداة مفيدة في التحقيق في الأمراض وإدارتها ^{[ 15 ] .}

البكتيريا الزرقاء

البكتيريا الزرقاء هي مجموعة من بدائيات النوى ذاتية التغذية الضوئية . وكما هو الحال في بدائيات النوى الأخرى، يعتمد تصنيف البكتيريا الزرقاء باستخدام تسلسلات الحمض النووي بشكل أساسي على التشابه في جين الريبوسوم 16S . ^{[ 16 ]} ولذلك، فإن أكثر المؤشرات الجينية شيوعًا لتحديد البكتيريا الزرقاء هو مؤشر 16S rDNA . ورغم صعوبة تحديد الأنواع داخل الكائنات بدائية النوى، يمكن استخدام مؤشر 16S لتحديد وحدات التصنيف التشغيلية (OTUs) الفردية. في بعض الحالات، يمكن ربط هذه الوحدات التصنيفية التشغيلية بالأنواع المُعرَّفة تقليديًا، وبالتالي يمكن اعتبارها تمثيلًا موثوقًا للعلاقات التطورية . ^{[ 17 ]}

مع ذلك، عند تحليل التركيب التصنيفي أو التنوع البيولوجي لمجتمع كامل من البكتيريا الزرقاء (انظر الترميز الجيني الشامل للحمض النووي )، يكون استخدام المؤشرات الخاصة بالبكتيريا الزرقاء أكثر فائدة. وقد استُخدمت بادئات 16S البكتيرية العامة بنجاح لعزل الحمض النووي الريبوزي للبكتيريا الزرقاء من العينات البيئية ، ولكنها تسترجع أيضًا العديد من التسلسلات البكتيرية. ^{[ 18 ] [ 19 ]} ويُستخدم عادةً استخدام مؤشرات 16S الخاصة بالبكتيريا الزرقاء ^{[ 20 ]} أو الخاصة بالنباتات للتركيز على البكتيريا الزرقاء فقط. ^{[ 21 ]} وقد تم اختبار بعض مجموعات هذه البادئات للترميز الجيني أو الترميز الجيني الشامل للعينات البيئية، وأعطت نتائج جيدة، حيث استبعدت غالبية الكائنات غير الضوئية أو غير البكتيريا الزرقاء. ^{[ 22 ] [ 21 ] [ 23 ] [ 24 ]}

يتزايد عدد جينومات البكتيريا الزرقاء المتسلسلة والمتاحة في قواعد البيانات. ^{[ 25 ]} بالإضافة إلى مؤشر 16S، يمكن أن تشمل الدراسات التطورية تسلسلات أكثر تنوعًا، مثل تسلسلات الجينات المشفرة للبروتينات (gyrB، rpoC، rpoD، ^{[ 26 ]} rbcL، hetR، ^{[ 27 ]} psbA، ^{[ 28 ] [ 29 ]} rnpB، ^{[ 30 ]} nifH، ^{[ 31 ]} nifD ^{[ 32 ]} )، والفاصل المنسوخ الداخلي لجينات الحمض النووي الريبوزي (16S- 23S rRNA -ITS) ^{[ 33 ] [ 25 ]} أو الفاصل بين جينات الفيكوسيانين (PC-IGS). ^{[ 33 ]} مع ذلك، لا يمكن استخدام nifD وnifH إلا لتحديد سلالات البكتيريا الزرقاء المثبتة للنيتروجين.

يمكن تطبيق الترميز الجيني للبكتيريا الزرقاء في دراسات بيئية وتطورية وتصنيفية متنوعة. تشمل بعض الأمثلة تقييم تنوع البكتيريا الزرقاء وبنية مجتمعاتها ^{[ 34 ]} ، وتحديد البكتيريا الزرقاء الضارة في المسطحات المائية ذات الأهمية البيئية والاقتصادية ^{[ 35 ]} ، وتقييم البكتيريا الزرقاء المتعايشة في اللافقاريات البحرية ^{[ 24 ]} . يُمكن أن يُسهم هذا في برامج الرصد الروتينية لوجود البكتيريا الزرقاء، بالإضافة إلى الكشف المبكر عن الأنواع السامة المحتملة في المسطحات المائية. قد يساعدنا ذلك في الكشف عن الأنواع الضارة قبل بدء تكاثرها، وبالتالي تحسين استراتيجيات إدارة المياه. يُعد تحديد الأنواع بناءً على الحمض النووي البيئي مفيدًا بشكل خاص للبكتيريا الزرقاء، نظرًا لصعوبة التحديد التقليدي باستخدام المجهر. تختلف خصائصها المورفولوجية، التي تُشكل أساس تحديد الأنواع، باختلاف ظروف النمو ^{[ 20 ] [ 36 ]} . كما أن التحديد تحت المجهر يستغرق وقتًا طويلاً، وبالتالي فهو مكلف نسبيًا. تستطيع الطرق الجزيئية الكشف عن تركيز أقل بكثير من خلايا البكتيريا الزرقاء في العينة مقارنة بطرق التحديد التقليدية.

قاعدة البيانات المرجعية هي مجموعة من تسلسلات الحمض النووي، تُصنّف إما إلى نوع أو وظيفة. ويمكن استخدامها لربط التسلسلات الجزيئية المُستخلصة من كائن حي بتصنيف موجود مسبقًا. تشمل قواعد البيانات العامة، مثل منصة NCBI، جميع أنواع التسلسلات، سواءً كانت جينومات كاملة أو جينات مُحدِّدة لجميع الكائنات الحية. كما توجد منصات أخرى تُخزِّن تسلسلات من مجموعة مُحدَّدة من الكائنات الحية فقط، مثل قاعدة بيانات UNITE ^{[ 37 ]} المُخصَّصة لتسلسلات الفطريات، أو قاعدة بيانات PR2 المُخصَّصة لتسلسلات الريبوسومات في الطلائعيات ^{[ 38 ]} . بعض قواعد البيانات مُدقَّقة، مما يسمح بتحديد التصنيف بدقة أعلى من استخدام قواعد البيانات غير المُدقَّقة كمرجع.

• اتحاد الباركود للحياة
• ترميز الحمض النووي للطحالب
• الترميز الشريطي للحمض النووي
• استخدام الترميز الجيني للحمض النووي في تقييم النظام الغذائي
• ترميز الحمض النووي للأسماك