تقنية جديدة تستخدم الأكسجين لتدمير جينات مقاومة المضادات الحيوية

طور مهندسون بلورات خاصة من ثاني أكسيد التيتانيوم تستطيع استخدام الأكسجين الموجود طبيعياً في الماء، لتكوين صورة شديدة التفاعل منه، قادرة على مهاجمة الحمض النووي للبكتيريا، وتدمير الجينات التي قد تسهم في نشر مقاومة المضادات الحيوية، في نهج قد يفتح مستقبلاً طريقاً جديداً لتعقيم مياه الشرب.

وقال الباحثون، في دراسة نشرتها دورية Chem Catalysis، إن التقنية لا تستهدف البكتيريا وحدها، وإنما أيضاً المادة الوراثية التي قد تبقى في المياه حتى بعد موت الخلايا البكتيرية، وهي مشكلة تمثل تحدياً متزايداً أمام أنظمة معالجة المياه.

وتعتمد الطريقة على بلورات مصممة من ثاني أكسيد التيتانيوم، تحتوي على عيوب مجهرية في بنيتها تعرف باسم "فجوات الأكسجين". وعند تعريض هذه البلورات للضوء، تتفاعل جزيئات الأكسجين العادية الموجودة في البيئة مع هذه المواقع، ما يدفع سلسلة من التفاعلات الكيميائية التي تحول الأكسجين إلى صورة أكثر نشاطاً تعرف باسم "الأكسجين الأحادي".

ويختلف الأكسجين الأحادي عن الصورة الأكثر شيوعاً للأكسجين الموجودة في الهواء، والمعروفة بالأكسجين الثلاثي، في ترتيب إلكتروناته، وهو ما يجعله أكثر قدرة على الدخول في تفاعلات كيميائية سريعة مع جزيئات أخرى.

وقال الباحث المشارك في الدراسة، شينجيان شي، من جامعة خنان في الصين إن النظام يعتمد على الأكسجين المتاح طبيعياً في البيئة لتعقيم المياه، بدلاً من الحاجة إلى إضافة مواد كيميائية مؤكسدة بصورة مستمرة، كما يحدث في بعض وسائل التطهير التقليدية.

وتعد مقاومة المضادات الحيوية واحدة من أبرز التحديات الصحية العالمية؛ إذ تستطيع بعض البكتيريا تطوير آليات تجعل الأدوية المستخدمة عادة لعلاج العدوى أقل فاعلية، أو عديمة التأثير. ولا تقتصر المشكلة على وجود البكتيريا المقاومة نفسها، إذ يمكن لجزيئات الحمض النووي التي تحمل جينات المقاومة أن تستمر في البيئة بعد موت البكتيريا.

وقد تستطيع ميكروبات أخرى التقاط أجزاء من هذه المادة الوراثية واستخدامها، وهي عملية قد تسهم في انتقال جينات مقاومة المضادات الحيوية بين أنواع مختلفة من البكتيريا.

وقالت الباحثة المشاركة في الدراسة، بوكسيا ليو، من جامعة شمال مينزو في الصين، إن استمرار الحمض النووي خارج الخلايا يمثل مصدر قلق بيئي؛ لأن كائنات دقيقة أخرى قد تستوعبه، بما قد يساعد على انتشار صفات مقاومة المضادات الحيوية.

وتستخدم تقنيات تطهير المياه الحالية وسائل متعددة لقتل الكائنات الدقيقة، منها الأشعة فوق البنفسجية، ومواد مؤكسدة كيميائية. لكن الباحثين يقولون إن القضاء على الخلايا البكتيرية لا يعني بالضرورة التخلص الكامل من مادتها الوراثية، وهو ما دفعهم إلى تصميم نظام يستهدف الحمض النووي نفسه.

ويعمل الأكسجين الأحادي، الناتج عن البلورات، على مهاجمة أجزاء من الحمض النووي الغنية بالإلكترونات، ومنها القواعد الكيميائية التي تحمل المعلومات الوراثية. ويؤدي تفاعل الأكسدة الناتج إلى إتلاف هذه القواعد، وتفكيك البنية الجزيئية للمادة الوراثية.

وقال الباحثون إنهم اختبروا التقنية في سلسلة من التجارب باستخدام جزيئات مرتبطة بالحمض النووي أضيفت إلى الماء، مع محفزات ثاني أكسيد التيتانيوم، وتمكنت المحفزات من تحليل هذه الجزيئات بالكامل في ظروف التجربة.

ويرى الباحثون أن النتائج توضح كيف يمكن تحويل ما يعتبر عادة "عيوباً" داخل المواد إلى عناصر وظيفية تتحكم في مسار التفاعلات الكيميائية.

وقال الباحث المشارك في الدراسة، تشي سونج، من جامعة شمال مينزو، إن العيوب الموجودة في بنية المحفزات لا ينبغي النظر إليها باعتبارها مجرد عيوب تصنيع، مضيفاً أن تصميمها بعناية يمكن أن يغير طريقة تفاعل الجزيئات مع سطح المادة، ويحدد المسارات التي تسلكها التفاعلات الكيميائية.

ويأمل الباحثون أن تستخدم هذه الآلية مستقبلاً للحد من انتشار جينات مقاومة المضادات الحيوية عبر شبكات المياه، وربما ضمن مراحل معالجة مياه الشرب قبل وصولها إلى المنازل.

مرحلة البحث المختبري

لكن التقنية لا تزال في مرحلة البحث المختبري، ولم يثبت بعد أنها قابلة للاستخدام الآمن والفعال داخل محطات معالجة المياه على نطاق واسع. وقال الباحثون إن الدراسات المقبلة ستحتاج إلى تقييم أدائها في المياه الحقيقية التي تحتوي على خليط معقد من المواد العضوية والأملاح والكائنات الدقيقة، إلى جانب دراسة آثارها المحتملة على الإنسان والبيئة.

كما ستكون هناك حاجة إلى تحديد كفاءة النظام على المدى الطويل، وكمية الضوء والطاقة المطلوبة لتشغيله، ومدى قدرة البلورات على الاحتفاظ بنشاطها بعد الاستخدام المتكرر.

ويقول الباحثون إن ميزة محتملة لهذا النهج تكمن في إنتاج المادة المؤكسدة النشطة داخل النظام نفسه وبصورة محكومة، بدلاً من إضافة كميات مستمرة من المواد الكيميائية إلى المياه، لكن إثبات تفوقه من حيث السلامة والكلفة والفاعلية على تقنيات التطهير المستخدمة حالياً سيحتاج إلى دراسات إضافية وتجارب على نطاق أكبر.