خاستگاه فردیت

ما انسان‌ها از جهات بی‌شماری با یکدیگر تفاوت داریم؛ خجالتی هستیم یا جسور، کک‌مکی یا رنگ‌پریده، راننده کامیون یا آرایشگر، بودایی یا پرسبیتری. گاهی در کلاس سوم سرطان می‌گیریم و گاهی یک قرن عمر می‌کنیم. اثر انگشت داریم. دانشمندان از چگونگی پیدایش این تنوع تنها درکی اجمالی دارند. بخشی از آن ریشه در تجربه‌های مختلفی دارند که پشت‌سر می‌گذاریم، از زمانی که در رحم مادر هستیم تا سال‌های کودکی و دوران بزرگسالی‌مان. این تاثیرات شکل‌دهنده شامل چیزهای مختلفی می‌شوند مانند کتاب‌هایی که می‌خوانیم و هوایی که در آن نفس می‌کشیم. علاوه بر این تنوع ما ریشه در ژن‌هایمان نیز دارد ــ میلیون‌ها تفاوت حروف‌چینی میان یک ژنوم و ژنوم دیگر. وقتی بحث ویژگی‌های فردی ما مطرح می‌شود، معمولا به طبیعت (nature) به مراتب بیشتر بها می‌دهیم تا به تربیت (nurture). یکی از دلایل آنکه چرا کلونینگ تولیدمثلی این همه وحشت برمی‌انگیزد، همین است. اگر ژن‌ها معادل هویت باشند، پس شخصی که حامل DNA کسی دیگر است، هیچ نفس متمایزی ندارد.
اما در این طرز تفکر نقصی عمیق هست؛ نقصی که چشم ما را روی طرز کار واقعی زیست‌شناسی ــ چه در مورد انسان و چه در مورد غیر آن ــ می‌بندد. یک مثال نقض مناسب E.coli است؛ گونه‌ای باکتری که میلیارد‌ها از آن در روده هر انسان بدون ضرر زندگی می‌کند. یک E.coli معمولی حدود ۴هزار ژن دارد (ما تقریبا ۲۰ هزارتا داریم). این میکروب با تغذیه از قند رشد می‌کند تا برای دوتا شدن آماده شود. دو نسخه از ژنوم خویش می‌سازد و تقریبا همیشه کاری می‌کند که نسخه‌های کاملی از ژنوم اولیه تولید شوند. یک میکروب دو نیم می‌شود و هر E.coli جدید یکی از دو ژنوم یکسان را دریافت می‌کند. به عبارت دیگر این دو باکتری کلون‌های یکدیگرند.
پس بدون تردید E.coli باید فقط طبیعت و فاقد تربیت باشد. کلنی زاده یک E.coli نیاکانی، صرفا یک میلیارد عموزاده یکسان هستند که همه با یک مجموعه خاص از ژن‌ها به دنیای اطراف خویش پاسخ می‌دهند. با این حال اگرچه باورکردنی به نظر می‌رسد، اما از حقیقت دور است. یک کلنی از E.coli‌های یکسان به لحاظ ژنتیکی، در واقع انبوهی از افراد مختلف است. در شرایط یکسان، رفتارهای متفاوتی از خود نشان خواهند داد. آنها اثر انگشت‌های خودشان را دارند.
برای مثال اگر دو E.coli به لحاظ ژنتیکی یکسان در کنار هم مشغول شنا باشند، یکی ممکن است متوقف شود در حالی که دیگری به چرخاندن دم‌های مارپیچ خود ادامه دهد. زیست‌شناس فقید، دانیل کوشلند (D.Koshland)، برای سنجش پایداری E.coli، یک‌بار باکتری‌های به لحاظ ژنتیکی یکسان را به یک لامل شیشه‌ای چسباند. آنها در آب شناور شدند در حالی که دم‌هایشان افسارشان بود. دکتر کوشلند مزه آسپارتات را به باکتری‌ها چشاند؛ اسید آمینه‌ای که آنها را جذب و وادار به شنا می‌کند. باکتری‌ها که به شیشه چسبیده‌ بودند، تنها کاری که می‌توانستند انجام دهند آن بود که دور خودشان بچرخند. دکتر کوشلند دریافت که بعضی E.coliهای کلون دو برابر دیگران به چرخیدن ادامه می‌دهند. E.coli به بسیاری از شیوه‌های دیگر نیز فردیت خود را بیان می‌کند. در شرایط یکسان، بعضی کلون‌ها خودشان را از موهای چسبنده‌ای می‌پوشانند که به آنها اجازه می‌دهد به سلول‌های میزبان بچسبند، در حالی که باکتری‌های دیگر بی‌مو باقی می‌مانند. اگر به یک کلنی E.coli لاکتوز (قند شیر) بدهید، بعضی آن را از طریق کانال‌های ویژه هورت می‌کشند و با آنزیم‌های ویژه هضم می‌کنند، در حالی که باکتری‌های دیگر دماغ میکروبی‌شان را بالا خواهند کشید و دور خواهند شد.
این تغییرات ناگهانی شخصیت E.coli برای باکتری‌ها ممکن است به معنای تفاوت میان مرگ و زندگی باشد. در هنگام تنش، بعضی اعضای یک کلنی با ساخت هزاران مولکول سمی و سپس ترکیدن، E.coliهای غیرخویشاوند اطراف‌شان را می‌کشند. اما هم‌کلون‌هایشان زنده می‌مانند و بدون رقیب پیش می‌روند. بعضی ویروس‌ها از طریق یکی از انواع بسیار کانال‌های موجود در غشای E.coli وارد این باکتری می‌شوند. در یک کلنی از باکتری‌های به لحاظ ژنتیکی یکسان، بعضی ممکن است مانند بالشتک سوزن پوشیده از این کانال‌ها باشند. دیگران ممکن است به‌کلی فاقد این کانال‌ها باشند. ویروس‌ها کلون‌های آسیب‌پذیر را خواهند کشت، در حالی که کلون‌های دیگر به زندگی ادامه خواهند داد.
دمدمی‌مزاجی E.coli می‌تواند برای ما نیز مسئله مرگ و زندگی باشد. بعضی سویه‌های این باکتری می‌توانند در روده، مثانه، خون و حتی مغز عفونت ایجاد کنند. در بسیاری از موارد، پزشکان تلاش می‌کنند این باکتری‌ها را با آنتی‌بیوتیک بکشند که مانع عملکرد عادی ژن‌ها و پروتئین‌هایشان می‌شود. یک آنتی‌بیوتیک قوی در یک کلنی حساس E.coli، بیشتر باکتری‌ها را خواهد کشت، اما نه همه آنها را. بعضی از آنها زنده خواهند ماند. بازماندگان از آن رو از مرگ می‌گریزند که در حیات برزخی عجیبی به نام پایندگی (persistence) به دام افتاده‌اند. هیچ پروتئین جدیدی نمی‌سازند و تقریبا رشد نمی‌کنند. آنتی‌بیوتیک‌ها قادر به کشتن پاینده‌ها نیستند زیرا در آنها چیزی برای حمله کردن وجود ندارد. تفاوت میان سلول‌های معمولی و پاینده‌ها را در DNAیشان نمی‌توان یافت. پس از آنکه سلول‌های پاینده از حمله آنتی‌بیوتیک‌ها جان به‌دربردند، بعضی از زادگانشان به رشد عادی بازمی‌گردند و کلنی را از نو می‌سازند. بیشتر فرزندان‌شان E.coli عادی خواهند بود اما برخی نیز «پاینده» خواهند شد. کلنی مرکب از همان کلون‌های جورواجور(!) باقی می‌ماند.
کلید درک اثر انگشت در E.coli تشخیص این نکته است که باکتری‌ها صرفا ماشین‌هایی ساده نیستند. مولکول‌های E.coli برخلاف سیم و ترانزیستور، شُل و تیک‌دار و پیش‌بینی‌ناپذیرند. در یک وسیله الکترونیکی نظیر کامپیوتر یا رادیو، الکترون‌ها با جریانی یکنواخت در مدارهای ماشین جاری می‌شوند، اما در E.coli مولکول‌ها همدیگر را هل می‌دهند و سرگردانند. وقتی E.coli برای ساخت یک پروتئین از ژنی استفاده می‌کند، ذخیره رو به افزایشی از آن با ریتم یکنواخت تولید نمی‌کند. بلکه پروتئین‌ها را هر از گاهی به طور نامنظم بیرون می‌دهد. یکی از کلون‌ها ممکن است ظرف یک ساعت ۵ یا ۶ نسخه از یک ژن تولید کند، در حالی که کلون دیگری در کنار آن هیچ پروتئینی تولید نکند.
مایکل الوویتز (M.Elowitz)، فیزیکدان کلتک (انستیتو تکنولوژی کالیفرنیا)، در آزمایشی بی‌نظیر این فوران‌ها را به نمایش درآورده است. او و همکارانش E.coli را وادار کردند پروتئین‌های لازم برای تغذیه از لاکتوز را تولید کند. دکتر الوویتز و همکارانش ژن‌های دیگری نیز به این باکتری‌ها افزودند، طوری که وقتی پروتئین‌های هضم‌کننده می‌ساختند، نور نیز ساطع می‌کردند. دکتر الوویتز دریافت که این باکتری‌ها تابش یکنواختی تولید نمی‌کنند. آنها سوسو می‌زدند؛ گاهی به‌روشنی، گاهی به‌تاریکی. و هنگامی که دکتر الوویتز از کلنی عکس فوری گرفت، آنچه دیده می‌شد دریای یکنواختی از نور نبود. بعضی میکروب‌ها در آن لحظه تاریک بودند در حالی که دیگران با تمام توان می‌درخشیدند.
این فوران‌های گاه و بی‌گاه می‌توانند روی چگونگی رفتار E.coli تاثیر بلند‌مدتی داشته باشند. میان حالت‌های بسیار متفاوت تعادل ظریفی برقرار است و گاهی اشاره کوچکی می‌تواند آن را به یکی از دو طرف هدایت کند. برای مثال تحت بعضی شرایط تبدیل E.coli به لاکتوز‌خواری حریص یا بی‌میل بسیار آسان است. به‌طور مطلقا تصادفی میکروبی ممکن است تعداد زیادی کانال مکنده لاکتوز بسازد که سبب شود مقدار زیادی قند جذب کند. لاکتوز می‌تواند پروتئین‌های بازدارنده را از ژن‌های E.coli دور نگه دارد و به این ترتیب موجب شود که میکروب همراه با آنزیم کانال‌های بیشتری بسازد. این باعث می‌شود که لاکتوز بیشتری به درون سلول سرازیر شود. درنتیجه میکروب در چرخه بازخورد قندخواری به دام می‌افتد.
از سوی دیگر همان میکروب در اثر تصادف محض ممکن است آن همه کانال تولید نکند. نمی‌تواند پروتئین اضافی به درون بکشد. آن چند مولکول لاکتوزی که می‌توانند از طریق غشای آن نفوذ کنند کمتر از آنند که مانع پروتئین‌های بازدارنده شوند. ژن‌های هضم‌کننده لاکتوز آن خاموش می‌مانند و نمی‌تواند از خوردن خوراک قند شیر لذت ببرد. به عبارت دیگر در چرخه بازخورد منفی خود به دام می‌افتد. پژوهش‌های دیگر نشان می‌دهند که مسوول پایندگی، پوشش مو، خودکشی فداکارانه و آسیب‌پذیری در برابر ویروس‌ها نیز همین پارازیتی بودن پیش‌بینی‌ناپذیر دستگاه سلولی E.coli است. مهم‌ترین پرسش از نظر بسیاری از دانشمندان آن است که چرا E.coli طوری تکامل یافته است که پارازیت بتواند چنین تغییرات شدیدی در زیست‌شناسی آن ایجاد کند.
مدل‌های ریاضی نشان می‌دهند که E.coli از پارازیت به عنوان راهی برای محکم‌کاری استفاده می‌کند. یک کلنی E.coli نمی‌تواند آسوده منتظر بماند تا در آنتی‌بیوتیک خیس بخورد و وارد مرحله پایندگی شود. پیش از آنکه موفق شوند کشته خواهند شد. در عوض پارازیت سبب می‌شود کسری از آنها پاینده شوند. چنانچه با آنتی‌بیوتیک‌ها برخورد کنند، دست‌کم تعدادی زنده خواهند ماند. در صورتی هم که سروکله آنتی‌بیوتیک‌ها پیدا نشود، اکثریت باکتری‌ها می‌توانند به رشد و تقسیم ادامه دهند. به نظر می‌رسد E.coli از قاعده‌ای عام پیروی می‌کند. میکروب‌های دیگر نیز از پارازیت بهره می‌گیرند و همچنین حشرات، کرم‌ها و انسان. بعضی سلول‌های حساس به نور در چشم ما با نور سبز تنظیم شده‌اند و بقیه با نور قرمز. تبدیل شدن به یکی از این دو کاملا تصادفی است. یک پروتئین ممکن است به تصادف ژن سبز را روشن کند یا ژن قرمز را، اما نه هر دو را.
در دماغ ما سلول‌های عصبی می‌توانند از میان صدها نوع مختلف گیرنده‌های بویایی یکی را انتخاب کنند. هر سلول فقط یکی را انتخاب می‌کند و شواهد نشان می‌دهند که این انتخاب تحت کنترل فوران پیش‌بینی‌ناپذیر ساخت پروتئین‌ها در هر سلول عصبی است. دادن اجازه تصمیم‌گیری به پارازیت به‌مراتب به‌صرفه‌تر از ساخت پروتئین‌هایی است که بتوانند صدها ژن گیرنده بویایی را یک‌به‌یک کنترل کنند. ژن‌های یکسان نیز می‌توانند در سلول‌های ما رفتار متفاوتی داشته باشند، زیرا اتم‌های کربن و هیدروژن که گروه‌های متیل نامیده می‌شوند، بخشی از DNA ما را می‌پوشانند. گروه‌های متیل می‌توانند تعیین کنند که ژن‌ها پروتئین بسازند یا خاموش بمانند. در انسان (و نیز در جانداران دیگری نظیر E.coli)، گروه‌های متیل گاهی از DNA کنده یا به مکان‌های جدیدی متصل می‌شوند. در تغییر بعضی گروه‌های متیل ممکن است تصادف محض مسوول باشد و گروه‌های دیگر را ممکن است مواد غذایی و سموم تغییر دهند.
دوقلوهای یکسان ممکن است ژن‌های تقریبا یکسانی داشته باشند، اما گروه‌های متیل‌شان در زمانی که به دنیا می‌آیند از هم متمایز است و با گذشت سال‌ها پیوسته متفاوت‌تر می‌شود. با تغییر الگوها، افراد کم‌وبیش در برابر سرطان و بیماری‌های دیگر آسیب‌پذیر می‌شوند.
شاید به دلیل این تجربه باشد که دوقلوهای یکسان اغلب با چند سال فاصله از یکدیگر می‌میرند. آنها اصلا یکسان نیستند. این الگوهای متفاوت نیز یکی از دلایل آنند که کلون‌های انسان و جانوران هرگز نمی‌توانند نسخه‌های کامل یکدیگر باشند. با استفاده از DNA یک گربه چیتی به نام رنگین‌کمان نخستین بچه‌گربه کلون‌شده به نام سی‌سی (Cc به معنای کربن کپی یا رونوشت است ـ م) ایجاد شد. اما سی‌سی کپی رنگین‌کمان نیست. رنگین‌کمان سفید با لکه‌های قهوه‌ای، خرمایی و طلایی است. سی‌سی راه‌راه خاکستری دارد. رنگین‌کمان خجالتی است. سی‌سی زودجوش و معاشرتی است. رنگین‌کمان چاق و سنگین اما سی‌سی باریک و خوش‌هیکل است. علت بعضی از این تفاوت‌ها احتمالا تغییراتی است که در گروه‌های متیل رخ داده است. الگوی منحصر به فرد فوران‌های پروتئینی در سلول‌های افراد کلون‌شده نیز ممکن است موجب تغییر آنها شود. همان مولکول‌هایی که آنها را می‌سازند، به آنها فردیت نیز می‌بخشند.
دست‌کم، فردیت E.coli برای کسانی که طبیعت انسان را به حساب نوعی جبر ژنتیکی ساده می‌گذارند، باید به منزله هشداری باشد. موجودات زنده صرفا برنامه‌هایی نیستند که نرم‌افزار ژنتیکی آنها را اجرا کند. حتی در میکروب‌های ریز هم ژن‌های یکسان و شبکه ژنتیکی یکسان ممکن است به سرنوشت‌های متفاوت منجر شود.

کارل زیمر
ترجمه کاوه فیض‌اللهی
Zimmer, C. ۲۰۰۸. Microcosm: E. coli and the New Science of Life. Pantheon

منبع : روزنامه کارگزاران