Бактерии способны учиться и формировать воспоминания без мозга

Фото из открытых источников

Исследователи из Университета Карнеги-Меллона показали, что бактерии могут учиться на прошлом опыте, хранить воспоминания на протяжении поколений и адаптировать свое поведение к меняющейся среде, и все это без головного мозга или нервной системы. Это исследование может изменить представление ученых о бактериальных инфекциях и лечении антибиотиками.

В исследовании, опубликованном в журнале PRX Life, ученые из отдела вычислительной биологии им. Рэя и Стефани Лейн и Колледжа науки им. Меллона отслеживали отдельные клетки E. coli при изменении питательных условий между богатой и бедной средой. Вместо того чтобы реагировать одинаково каждый раз, бактерии корректировали свой рост на основе ранее наблюдавшихся закономерностей. Клетки, подверженные быстро меняющимся условиям, смогли адаптироваться лучше, чем клетки, выращенные в более стабильной среде.

Результаты показывают, что бактерии не просто реагируют на окружающую среду. По-видимому, они кодируют воспоминания о прошлых условиях и используют эти воспоминания для управления будущим поведением.

«Долгое время считалось, что рост бактерий определяется только той средой, в которой клетка находится в данный момент», — сказал соавтор исследования Джозайя Кратц из Технологического института Джорджии. «Мы показали, что история прошлых условий окружающей среды имеет значение. Клетки помнят этот опыт, и эта память меняет их поведение».

Для изучения поведения бактерий исследователи использовали сложное микрофлюидное устройство, известное как «материнская машина», которое захватывает отдельные бактериальные клетки внутри крошечных камер, в то время как ученые непрерывно наблюдают за ними под микроскопом.

Этот подход, основанный на изучении отдельных клеток, позволил исследователям быстро переключать клетки между богатой и бедной питательными веществами средой, измеряя при этом скорость роста каждой бактерии.

Соавтор исследования Фанвэй Си сказал, что эта технология позволила команде увидеть, как реакция бактерий зависит от текущих условий, а также от того, как быстро эти условия менялись в прошлом. Клетки, подверженные быстро меняющимся циклам питательных веществ, адаптировались быстрее, чем клетки, выращенные в более медленных циклах.

«Подходы, основанные на изучении отдельных клеток, очень эффективны», — сказал Си, специалист в области биофизики, которая фокусируется на количественно точном понимании живых систем. «Как и в случае изучения поведения животных, более информативно изучать реакции отдельных животных, чем реакции всей популяции. Запись жизненных траекторий отдельных клеток позволяет нам обнаруживать тонкие, но фундаментальные детали в их поведении». 

Эта работа основывается на более ранних исследованиях, показавших, что бактерии могут сохранять кратковременную память о предыдущих условиях окружающей среды. 

«Мы показали, что клетки могут различать разные частоты окружающей среды», — сказал Кратц. «Для этого им нужна более сложная память, чем та, которую кто-либо демонстрировал ранее».

Эта память может сохраняться даже в течение нескольких поколений. Для бактерий поколение может длиться от десятков минут до часов. 

Одна клетка E. coli может делиться каждые 30 минут или час в условиях, богатых питательными веществами, но белки, вырабатываемые в стрессовых условиях, могут передаваться дочерним и внучатым клеткам. Эти унаследованные молекулы позволяют потомкам сохранять информацию об условиях окружающей среды, с которыми они никогда непосредственно не сталкивались.

«Если клетка-бабушка пережила стресс и выжила, клетка-внучка может вести себя иначе из-за этой истории», — сказал Кратц.

Традиционно исследователи предполагали, что реакция бактерий на антибиотики в основном зависит от типа и концентрации препарата, который получают пациенты. Но если бактерии сохраняют «память» о предыдущем стрессе, их реакция может также зависеть от истории окружающей среды — бактерии, которые ранее подвергались голоданию, высоким или низким температурам или низким дозам антибиотиков, могут реагировать на лечение иначе, чем бактерии без такой истории. 

«Если мы хотим полностью понять и предсказать, как бактерии реагируют на антибиотики, нам, возможно, потребуется учитывать не только то, что они испытывают сейчас, но и то, что они испытывали в прошлом», — сказал Кратц.

Исследователи надеются, что будущие исследования изучат, проявляют ли бактерии аналогичное поведение обучения в ответ на антибиотики и другие стрессовые факторы окружающей среды, помимо питательных веществ.

Команда также считает, что это поведение может распространяться не только на кишечную палочку, но и на многие другие виды бактерий.

«В реальном мире бактерии не живут в статичных лабораторных условиях», — сказал Кратц. «Они выживают в постоянно меняющейся среде, такой как кишечник человека, почва или растения. Понимание того, как они адаптируются к этим колебаниям, действительно имеет фундаментальное значение для понимания жизни на микробном уровне».

Проект объединил эксперименты, теорию и компьютерное моделирование — отличительную черту биофизики, междисциплинарной области, использующей инструменты физики для понимания живых систем.

Исследователи разработали математическую модель, основанную на известных биологических процессах внутри бактериальных клеток, и обнаружили, что она точно предсказывает, как клетки будут реагировать на изменяющуюся среду.

Самый большой сюрприз ждал команду, когда они проанализировали саму модель.

«На абстрактном уровне способ обработки клеткой информации об окружающей среде соответствует тому же типу вычислительной архитектуры, которую исследователи в области ИИ используют для решения задач обучения», — сказал Кратц. «Биология и искусственный интеллект, похоже, сошлись на схожей стратегии».

Результаты показывают, что обучение может происходить посредством химических реакций внутри одной клетки, без мозга.

«Материнская машина» удерживает отдельные бактерии в крошечных каналах, чтобы исследователи могли наблюдать за их ростом, делением и адаптацией к изменяющимся условиям на протяжении многих поколений.