Бактерии хранят «воспоминания» и передают их в течение нескольких поколений
Новое исследование показало, что Escherichia coli — одноклеточная бактерия, в большом количестве присутствующая в нашем организме, — «запоминает» свой прошлый опыт на несколько часов и передает свои стратегии заражения на несколько поколений. Предполагается, что на эту форму памяти влияет, в частности, уровень внутриклеточного железа — важное открытие, которое может помочь в разработке стратегий, направленных на борьбу с устойчивостью бактерий к антибиотикам.
Чтобы обеспечить максимальное выживание, бактерии должны постоянно адаптироваться к значительным колебаниям окружающей среды. Для этого они усваивают сигналы окружающей среды через процессы трансдукции, вызывая соответствующие транскрипционные реакции. Эти ответы происходят в течение нескольких минут и исчезают параллельно с сигналами. Чтобы оптимизировать время реакции, эти организмы, по-видимому, используют определенную форму запоминания.
Предыдущие исследования показали, что «бактериальная память» может влиять на индивидуальную или коллективную морфологию колоний, их взаимодействие с хозяевами и защиту от иммунных клеток или антибиотиков. Учитывая, что у бактерий нет ни нейронов, ни синапсов, этот механизм хранения памяти включает в себя в большей степени генетические и эпигенетические факторы. Кроме того, этот процесс запоминания зависит от характера стимула, в отличие от нервной системы, где один и тот же молекулярный процесс используется для запоминания реакции на все типы стимулов.
«У бактерий нет мозга, но они могут собирать информацию об окружающей среде, и если они часто сталкивались с этой средой, они могут хранить эту информацию и быстро обращаться к ней впоследствии для своей пользы«, — объясняет Сувик Бхаттачария (Souvik Bhattacharyya) из Техасского университета. Так, было замечено, что бактерии, прошедшие опыт «роения» (коллективной миграции и размножения в определенном районе), впоследствии могут улучшить свои показатели в том же опыте.
Однако механизм, лежащий в основе этого процесса запоминания, мало изучен, а возможность наследственной передачи не рассматривалась. Исходя из этого, Бхаттачария и его коллеги из Университета штата Делавэр изучили механизм бактериальной памяти у E.coli, одной из наиболее широко изученных бактерий в биологии.
Память контролируется уровнем железа
E. coli — это бактерия, которая естественным образом обитает в пищеварительном тракте человека и других теплокровных животных. Хотя большинство штаммов безвредны, некоторые из них патогенны для человека и часто вызывают серьезные пищевые отравления или инфекции. Эта бактерия, особенно легко поддающаяся культивированию, является объектом многочисленных экспериментальных исследований. Новое исследование, опубликованное в журнале PNAS, посвящено наблюдению за процессом их роения.
Миграция роя, обеспечиваемая наличием жгутиков, представляет собой коллективную адаптацию, направленную на расширение колонии. Если в полутвердых средах E. coli обычно роятся, то в абсолютно твердых средах они неподвижны. Для культивирования особенно подходит «мягкий» агар (т.е. агар с низким содержанием гелеобразующего вещества), который обеспечивает оптимальное количество воды и не препятствует подвижности жгутиков.
Колонизация поверхности сопряжена с различными трудностями (физическими и пищевыми), требующими использования бактериальной памяти. Чтобы определить, запоминают ли бактерии механизмы адаптации, специалисты в новом исследовании проследили за условиями их миграции, проведя более 10 000 тестов роения.
Было замечено, что бактерии с низким внутриклеточным содержанием железа лучше роятся. С другой стороны, у бактерий, образующих биопленки (своеобразную плотную липкую паутину, которую бактерии формируют, роясь на поверхности субстратов), уровень железа был выше. Кроме того, бактерии, выделенные или растущие в жидкой среде, имели различный уровень железа. У бактерий, устойчивых к антибиотикам, содержание железа было относительно сбалансированным.
Следует отметить, что такая железоопосредованная память уже наблюдалась у планктонных клеток, но роение, по-видимому, усиливает ее в течение нескольких часов. В то время как клетки с низким содержанием железа начинали этот процесс быстрее и эффективнее, клетки с высоким содержанием железа были менее эффективны. Авторы исследования предполагают, что падение уровня железа является триггером памяти, побуждающим миграцию к сбору большего количества железа. С другой стороны, при высоком содержании железа память бактерий указывает на то, что колонизированная поверхность является хорошим местом для пребывания и формирования биопленки.
Также впервые было продемонстрировано, что бактериальная память передается по наследству. Потенциал роения материнской клетки запоминается и передается через 4 поколения дочерних клеток. Хотя память естественным образом исчезает к 7-му поколению, ее можно контролировать искусственно и сохранять гораздо дольше.
По мнению Бхаттачарьи, использование железа бактериями было бы вполне логичным, поскольку оно является ключевым элементом в возникновении и эволюции жизни на Земле. До того как в атмосфере Земли появилось много кислорода, примитивные клетки могли использовать железо для многих клеточных процессов. Этот механизм, по-видимому, частично сохранился и до наших дней, поскольку железо, как известно, является важным фактором вирулентности и поэтому может стать потенциально перспективной терапевтической мишенью для борьбы с устойчивостью к антибиотикам. «В конечном счете, чем больше мы знаем о поведении бактерий, тем легче с ними бороться«, — заключает исследователь.