Бактериальные сообщества обладают рабочей памятью
Биологи, изучающие коллективы бактерий или «биоплёнки», обнаружили, что эти так называемые простые организмы обладают устойчивой способностью к памяти.
Исследователи из лаборатории профессора Гюроля Сюэля в Калифорнийском университете в Сан-Диего — Чи-Ю Ян, Мая Бялецка-Форнал и их коллеги — обнаружили, что бактериальные клетки, стимулированные светом, помнили о воздействии спустя часы после первоначального стимула. Учёные смогли управлять этим процессом, вызывая появление паттернов памяти.
Это открытие выявляет удивительные параллели между примитивными одноклеточными организмами и сложными нейронами, обрабатывающими память в человеческом мозге.
«Ещё несколько лет назад люди не думали, что бактериальные клетки и нейроны хоть чем-то похожи, потому что это совершенно разные клетки», — сказал Сюэль. «Это открытие у бактерий даёт ключи и возможность понять некоторые ключевые особенности мозга в более простой системе. Если мы поймём, как возникло нечто столь сложное, как нейрон — его древние корни — у нас будет больше шансов понять, как и почему он работает определённым образом».
Результаты, опубликованные 27 апреля в журнале Cell Systems, также задают направление для учёных, которые однажды смогут проектировать базовые вычислительные системы с использованием живых организмов, таких как бактерии.
После недавних открытий лаборатории Сюэля о том, что бактерии используют ионные каналы для общения друг с другом, новые исследования предположили, что бактерии также могут обладать способностью хранить информацию о своих прошлых состояниях. В новом исследовании учёным удалось закодировать сложные паттерны памяти в бактериальных биоплёнках с помощью световых изменений мембранного потенциала бактерий Bacillus subtilis. Они обнаружили, что оптические «отпечатки» сохранялись в течение часов после первоначального стимула, что позволило получить прямое, контролируемое изображение памяти с разрешением на уровне одной клетки.
«Когда мы воздействовали на эти бактерии светом, они запоминали это и с того момента реагировали иначе», — сказал Сюэль. «Так что впервые мы можем напрямую визуализировать, какие клетки обладают памятью. Это то, что мы не можем визуализировать в человеческом мозге».
Способность кодировать память в бактериальных сообществах, по словам исследователей, может в будущем позволить проводить биологические вычисления путём импринтинга сложных пространственных паттернов памяти в биоплёнках.
«Бактерии — доминирующая форма жизни на этой планете», — сказал Сюэль. «Возможность записывать память в бактериальную систему и делать это сложным образом — одно из первых требований для возможности проводить вычисления с использованием бактериальных сообществ».
Кроме того, как отмечают авторы в исследовании: «Таким образом, может оказаться возможным импринтировать синтетические цепи в бактериальных биоплёнках, активируя различные виды вычислений в отдельных областях биоплёнки... В целом, наша работа, вероятно, вдохновит на новые подходы в синтетической биологии, основанные на мембранном потенциале, и предоставит бактериальную парадигму для биологических систем, способных к памяти».