باکتری‌های چندش‌آوری که باعث «سکته قلبی» گیاهان می‌شوند

به گزارش «سای‌تک‌دیلی» (scitechdaily)، پژوهشی جدید نشان می‌دهد این ماده غیرمعمول به باکتری‌های «رالستونیا» (Ralstonia) کمک می‌کند با کارایی ویرانگری درون گیاه حرکت کنند و موجب از بین رفتن سریع گوجه‌فرنگی، سیب‌زمینی و بسیاری دیگر از محصولات مهم شوند.

این پژوهش که در نشریه «مقالات آکادمی ملی علوم ایالات متحده آمریکا» منتشر شده، پژوهشگران آسیب‌شناسی گیاهی و مهندسی دانشگاه کالیفرنیا، دیویس را گرد هم آورده است.

یکی از گونه‌ها یعنی «رالستونیا سولاناسه آروم» (Ralstonia solanacearum) به ویژه خطرناک است؛ زیرا این باکتری صبور است و می‌تواند سال‌ها در خاک مرطوب زنده بماند، بدون آنکه آسیبی قابل‌مشاهده ایجاد کند. اما زمانی که سرانجام وارد گیاه می‌شود، با سرعت درون آوند‌های انتقال‌دهنده آب (زایلم) حرکت می‌کند؛ گویی در لوله‌کشی داخلی گیاه پیش می‌رود. نتیجه اغلب سریع و چشمگیر است: گیاهان آلوده می‌توانند ظرف چند روز پژمرده شده و بمیرند.

«تیفانی لو-پاور»، دانشیار آسیب‌شناسی گیاهی در کالج علوم کشاورزی و محیط‌زیست دانشگاه کالیفرنیا، دیویس، می‌گوید: «تشبیه من این است که آنها برای گیاهان سکته قلبی ایجاد می‌کنند؛ زیرا آوند‌ها را مسدود کرده و باعث پژمردگی و مرگ گیاه می‌شوند».

یک زیست‌لایه به شدت ناخوشایند

مانند بسیاری از باکتری‌ها، «رالستونیا» (Ralstonia) با ترشح پوششی موسوم به زیست‌لایه (Biofilm) از خود محافظت می‌کند. در بسیاری از میکروب‌ها، زیست‌لایه‌ها به حفظ رطوبت و ایجاد پشتیبانی ساختاری کمک می‌کنند. اما در «رالستونیا»، این پوشش رفتاری کاملا متفاوت دارد. به گفته «لو-پاور»، این ماده به طور غیرمعمولی شل و روان است و به باکتری حالتی لزج می‌دهد که هم از نظر زیستی مهم است و هم کار با آن در آزمایشگاه به طور گسترده‌ای ناخوشایند شناخته می‌شود.

او می‌گوید: «رالستونیا‌ها به نوعی چندش‌آور، اما جذاب‌اند؛ نوعی زنندگی واقعی در آنها است».

فیلم ترشح شده توسط «رالستونیا» از یک مولکول بلند شبیه قند به نام اگزوپلی‌ساکارید ۱ (EPS-۱) تشکیل شده است. پیش‌تر مشخص شده بود که EPS-۱ به نحوی با توانایی این باکتری در کشتن گیاهان مرتبط است؛ اما چگونگی آن نامشخص بود.

لو-پاور می‌گوید: «با روش‌هایی که میکروب‌شناسان و ژنتیک‌دانان برای پاسخ به پرسش‌ها به کار می‌برند، می‌توانیم تا حدی نزدیک شویم؛ اما نه واقعا به سازوکار. ما به یک فیزیک‌دان نیاز داریم».

ورود فیزیک مواد لزج

«هری مانیکانتان»، دانشیار مهندسی شیمی در دانشگاه کالیفرنیا، دیویس، به مطالعه مکانیک و پویایی سیالات پیچیده چندفازی می‌پردازد. او می‌گوید: «من همه انواع مواد لزج را دوست دارم؛ از بزاق و کف‌ها گرفته تا سورفکتانت‌های ریه و اشک‌ها».

سیالات لزج همزمان درجاتی از «گران‌روی» (چسبندگی) و کشسانی دارند. کشسانی نشان می‌دهد آیا یک ماده پس از کشیده شدن می‌تواند به حالت اولیه بازگردد یا نه و گران‌روی نشان‌دهنده سهولت جریان یافتن آن است.

برای مثال، خمیر بازی «سیلی‌پاتی» در بازه زمانی کوتاه رفتاری کشسان دارد: «اگر آن را پرت کنید، کاملا جامد به نظر می‌رسد. اما اگر روی میز رهایش کنید، طی چند دقیقه تا چند ساعت به آرامی جریان می‌یابد».

«مانیکانتان» می‌گوید: «پرسش این است که مقیاس زمانیِ مرتبط کدام است».

علاقه مشترک به مواد لزج

مانیکانتان و لو-پاور در جریان یک دوره آموزشی اعضای جدید هیئت علمی، پیش از همه‌گیری کرونا، علاقه مشترک خود به مواد لزج را کشف کردند. با استفاده از تجهیزات آزمایشگاه مانیکانتان، آنها توانستند ویژگی‌های ویسکوالاستیک ترشحات جمع‌آوری‌شده از کلونی‌های «رالستونیا» را که توسط متیو کوپ-آرگوئلو، دانشجوی تحصیلات تکمیلی آزمایشگاه لو-پاور، تهیه شده بود، با دقت بالا اندازه‌گیری کنند. آنها دریافتند که این ماده لزج در گونه‌های بیماری‌زا، تحت نیرو‌های برشی مشابه آنچه در آوند‌های زایلم گیاهان وجود دارد، به راحتی جریان می‌یابد؛ موضوعی که به باکتری امکان می‌دهد به سرعت در سراسر گیاه آلوده گسترش پیدا کند.

اما این ویژگی تا چه حد رایج است؟ کوپ-آرگوئلو یک آزمون ساده طراحی کرد: اگر باکتری تولیدکننده زیست‌لایه را روی یک پلیت کشت (پتری دیش) پرورش دهید و پلیت را کج کنید، آیا ماده می‌چکد؟ آنها گونه‌های دیگر «رالستونیا»، از جمله گونه‌هایی را که اگزوپلی‌ساکارید ۱ تولید نمی‌کنند، بررسی کردند و همچنین از همکاران خود در سراسر کشور خواستند باکتری‌های دیگری را که از نظر تکاملی پاتوژن‌های عامل پژمردگی رالستونیا خویشاوند هستند، آزمایش کنند. او می‌گوید: «ما توانستیم هم بر اساس داده‌هایی که همکارانمان جمع‌آوری کردند و هم داده‌هایی که از ژنوم‌های در دسترس عمومی استخراج کردیم، نشان دهیم که این پلی‌ساکارید مختص پاتوژن‌های گیاهی است».

پیامد‌هایی فراتر از یک رشته

برای زیست‌شناسان، این پژوهش توضیح می‌دهد که چرا اگزوپلی‌ساکارید ۱ این باکتری‌ها را به‌ویژه بیماری‌زا می‌کند. برای مهندسان و فیزیک‌دانان مواد نرم، این یافته‌ها یک سامانه تجربی ارزشمند فراهم می‌آورد. مانیکانتان می‌گوید: «اکنون ما با تغییری واقعی روبه‌رو هستیم که توسط ژنتیک هدایت می‌شود و جامعه علمی من می‌تواند آن را به صورت ریاضی مدل‌سازی کند. از این نظر، واقعا هیجان‌زده‌ام که این پژوهش چگونه به دنیای فیزیک مواد نرم بازمی‌گردد».