Обладают ли микробы памятью?
У микробов нет мозга, но у них есть память.
Конечно, они не вспоминают свои детские дни рождения, но микробы обладают целым рядом механизмов, которые позволяют им хранить информацию и корректировать свое поведение в зависимости от прошлого опыта. Если мы заглянем в память микробов, что мы увидим? Можем ли мы использовать память микробов, чтобы в конечном итоге использовать самих микробов?
В человеческом мозге воспоминания - маленькие крупицы прошлой информации - помогают людям ориентироваться в текущих ситуациях и обстоятельствах. Печатание на компьютере, знание маршрута домой с работы, решение не пить молоко со странным запахом после первого неудачного опыта... все это основано на памяти. Но акт запоминания не является исключительно мозговой деятельностью. Он также происходит на клеточном уровне. Память - это просто хранение и извлечение информации. "Если это самое простое определение, с которым можно работать, то это означает, что любая система может обладать памятью", - утверждает Сувик Бхаттачария, доцент Хьюстонского университета здоровья, чья лаборатория специализируется на микробной экологии. "Например, клетки адаптивного иммунитета используют опыт предыдущего контакта с патогеном, чтобы вызвать более быструю и сильную реакцию при следующей встрече с ним".
Микробные клетки, такие как бактерии и дрожжи, также демонстрируют формы так называемого исторически зависимого поведения, которое способствует их выживанию. Они должны постоянно приспосабливаться к изменениям в окружающей среде. Запомнив прошлые изменения (например, переход на новый источник питательных веществ), микробы и микробные популяции могут изменить свое поведение и быстрее адаптироваться при повторном воздействии условий, по сравнению с тем, если бы они вообще не подвергались такому воздействию. Более того, поскольку микробы в основном размножаются путем клеточного деления, «память может передаваться и следующему поколению», - пояснил Бхаттачарья. «Это дополнительная особенность микробной памяти, которая отличается от многоклеточных организмов».
Развитие реакции памяти может сэкономить микробам энергию, поскольку они используют предыдущие транскрипционные и метаболические усилия, чтобы реагировать на изменения в окружающей среде. На уровне популяции наличие некоторых клеток, готовых к определенным изменениям окружающей среды, диверсифицирует фенотипический пул, обеспечивая оптимальное выживание в неоптимальных условиях. Микробная память не похожа на когнитивную память, которая основывается на коллективной активации, изменении и реактивации групп нейронов в ответ на стимулы. Стимул может меняться, но мозг использует тот же базовый путь для создания и запоминания воспоминаний. У микробов механическая основа памяти зависит от микроба и стимула, а само понятие «память» относится к целому ряду типов поведения, таких как изменения в подвижности или динамике роста, которые длятся от нескольких секунд до нескольких поколений.
«Информация может храниться в метаболитах, питательных веществах, белках и модификациях белков или ДНК», - поясняет Бхаттачария.
В некоторых случаях прошлый опыт записывается в виде изменений в экспрессии генов. Например, если дрожжи Saccharomyces cerevisiae (пивные дрожжи) перевести из среды, богатой глюкозой, в среду, богатую галактозой - менее предпочтительным сахаром, похожим на глюкозу с некоторыми молекулярными изменениями, - потребуется время, чтобы их гены, использующие галактозу, включились. Однако переключение вызывает эпигенетические изменения (т. е. модификацию структуры хроматина), благодаря которым эти гены быстро активизируются при повторном воздействии галактозы. Такая реакция памяти на галактозу сохраняется в течение 7-8 клеточных делений. Ученые предполагают, что эпигенетическая память позволяет микробам не менять свою физиологию, как это произошло бы в случае мутации ДНК.
Есть ситуации, когда память состоит из белков, которые накапливаются в клетке после воздействия стрессового фактора или раздражителя. Эти белки, высвобождающиеся в ответ на первоначальный раздражитель, могут оставаться в организме и подготавливать его к повторной встрече с раздражителем. Когда клетки делятся (или претерпевают фенотипические трансформации, например споруляцию), их потомство наследует остатки белков и, таким образом, готово справиться со стрессом, который они «помнят», но никогда не видели сами. Память исчезает по мере того, как белки распадаются или размываются в процессе естественного деления.
Питательные вещества служат дополнительной подпиткой для воспоминаний. Недавно Бхаттачария и его коллеги обнаружили реакцию памяти у кишечной палочки, которая попадает в эту категорию. Они обнаружили, что клетки кишечной палочки с опытом роения (когда бактерии используют свои жгутики для групповой миграции по поверхности) роятся более эффективно, когда сталкиваются с новой поверхностью, по сравнению с теми, у кого в прошлом не было роения. Как им это удается?
«В основном они изменяют уровень железа внутри клетки, - объясняет Бхаттачария. То есть память о роении хранится в виде концентрации клеточного железа. «Таким образом, больше железа в клетках означает меньшую подвижность на поверхности, а меньше железа означает, что они будут больше двигаться [роиться]». Поскольку железо необходимо для выживания, низкая концентрация железа может побуждать клетки двигаться и находить больше питательных веществ. Память о железе и связанный с ней потенциал роения передается по наследству - материнские клетки передают его своим дочерним клеткам на протяжении 4 поколений.
Бхаттачария подчеркнул, что еще многое предстоит узнать о механизме, лежащем в основе этого явления. По-видимому, он менее специфичен, чем другие формы микробной памяти, и способен хранить информацию, связанную не только с роением, но и с устойчивостью к антибиотикам. Поскольку питательные вещества имеют решающее значение для многих организмов, возможно, "железная память" существует и у других форм жизни (например, эукариот), а не только у бактерий. «Железо распространено повсеместно, так что, возможно, подобный механизм памяти является распространенным способом хранения информации», - заметил Бхаттачарья.
Стоит отметить, что приведенные выше примеры представляют собой лишь малую часть способов запоминания микробов. Новые механизмы памяти у различных организмов продолжают открываться. Способность микроорганизмов к запоминанию - это не просто предмет для изучения в лаборатории; это может иметь важные последствия для здоровья человека и окружающей среды. «Допустим, вы лечите инфекцию антибиотиком. Тогда часть [бактериальной] популяции может вспомнить, что встречалась с этим антибиотиком, и становится к нему транзиторно резистентной», - говорит Бхаттачарья, пожимая плечами с выражением „сами догадайтесь о результате“. «Есть предыдущие сообщения, которые указывают на это, хотя неизвестно, как [клетки] это делают», - продолжил он. Реакции памяти могут играть определенную роль - работа его группы над изучением памяти о железе указывает на связь с устойчивостью к антибиотикам. Память также способствует эффективной адаптации хозяина, образованию биопленок и способности противостоять множеству стрессовых факторов.
Учитывая это, можно ли использовать память микробов в практических целях? Существует множество случаев, когда синтетические схемы памяти программируются в организмах. Такое программирование может включать в себя изменение ДНК или ферментных механизмов микробов таким образом, чтобы происходило заметное изменение в ответ на определенные условия в окружающей среде или в организме хозяина. Это изменение может быть обнаружено учеными для различных аналитических или даже диагностических целей. Однако естественные системы памяти микробов остаются практически неизученными.
Бхаттачария считает, что для того, чтобы управлять микробной памятью, необходимо сначала лучше понять, как она работает. Микробы могут столкнуться с огромным количеством сред и условий обитания. Понимание того, помогает ли память выжить в этом обширном спектре возможностей, и если да, то каким образом, является приоритетной задачей исследования. Кроме того, по его словам, «еще предстоит продемонстрировать гораздо более длительные формы естественной памяти у клинически значимых бактерий». Способность микробов запоминать через пару часов впечатляет. Но как быть с организмами, которые растут медленно? «У микобактерий время удвоения составляет 1 день. Будет ли у них [тогда] память семи или восьми дней? Это было бы очень интересно узнать».
И чем больше ученые узнают, тем больше вероятность того, что все эти вопросы в конце концов станут не более чем воспоминаниями.
