Бактерии могут планировать наперед
Бактерии способны предвидеть будущие события и готовиться к ним, согласно новому исследованию Института науки Вейцмана. В статье, опубликованной в Nature, группа ученых под руководством профессора Ицхака Пилпеля изучила микроорганизмы, живущие в средах, которые меняются предсказуемым образом.
Их выводы показывают, что генетические сети этих микроорганизмов «запрограммированы» «предвидеть» следующее событие в последовательности и начинать реагировать на новое состояние дел до его наступления.
Например, бактерии E. coli, которые обычно безвредно перемещаются по пищеварительному тракту, сталкиваются с несколькими разными средами на своем пути. В частности, они обнаруживают, что один тип сахара — лактоза — неизменно вскоре сменяется вторым сахаром — мальтозой. Команда проверила генетический ответ бактерии на лактозу и обнаружила, что помимо генов, позволяющих ей переваривать лактозу, частично активировалась и генная сеть для утилизации мальтозы. Когда ученые поменяли порядок сахаров, дав бактериям сначала мальтозу, соответствующей активации генов лактозы не произошло. Это означает, что бактерии естественным образом «научились» готовиться к порции мальтозы после «закуски» из лактозы.
Другой микроорганизм, испытывающий последовательные изменения, — винные дрожжи. По мере прогрессирования брожения меняются уровень сахара и кислотности, повышается уровень алкоголя, и среда дрожжей нагревается. Ученые обнаружили, что когда винные дрожжи чувствуют тепло, они начинают активировать гены для борьбы со стрессами следующей стадии. Дальнейший анализ показал, что это предвосхищение и ранний ответ являются эволюционной адаптацией, повышающей шансы организма на выживание.
Профессор Пилпель отмечает, что «в микроорганизмах эволюция на протяжении многих поколений заменяет условное обучение, но конечный результат схож». Докторант Амир Митчелл добавляет: «И в эволюции, и в обучении организм адаптирует свои реакции на сигналы окружающей среды, повышая свою способность к выживанию». Гал Романо подчеркивает: «Это не обобщенная стрессовая реакция, а реакция, точно настроенная на ожидаемое событие».
Чтобы проверить, действительно ли микроорганизмы демонстрируют условный рефлекс, ученые провели дополнительный тест на E. coli, основанный на другом эксперименте Павлова. Исследователи выращивали бактерии в среде, содержащей первый сахар (лактозу), но не следующий за ним мальтозу. Через несколько месяцев бактерии эволюционировали, чтобы перестать активировать свои гены мальтозы при «вкусе» лактозы, включая их только тогда, когда мальтоза действительно была доступна.
«Это показало нам, что у заблаговременной подготовки есть цена, но в правильных обстоятельствах преимущества для организма перевешивают затраты», — говорит Пилпель. На основе экспериментальных данных исследовательская группа создала модель соотношения затрат и выгод, чтобы предсказать типы ситуаций, в которых организм может увеличить свои шансы на выживание, эволюционировав для предвосхищения будущих событий.
Ученые полагают, что генетически обусловленный ответ может быть широко распространенным средством эволюционной адаптации, повышающим выживаемость у многих организмов, — и он также может происходить в клетках высших организмов, включая человека. Эти выводы могут иметь и практическое значение. Например, генетически модифицированные микроорганизмы для сбраживания растительных материалов с целью производства биотоплива могли бы работать эффективнее, если бы они приобрели генетическую способность готовиться к следующему этапу процесса.