«Безмозглые» микроорганизмы обладают отличной способностью к обучению и способны запоминать информацию

Память без мозга? Исследование продемонстрировало, что бактерии не только реагируют на окружающую среду, но также используют накопленный опыт для принятия «решений». Бактерии способны запоминать даже то, чего больше нет.Материнская машина — устройство, состоящее из нанотрубок, позволяющее изменять и контролировать режимы питания и развитие бактериальных культур с разрешением в одну клетку.Источник: https://phys.org/

Исследователи из Университета Карнеги — Меллона установили, что бактерии Escherichia coli (кишечные палочки) могут обучаться на основе прошлого опыта и сохранять память о ранее пережитых условиях, несмотря на отсутствие мозга и нервной системы. Результаты исследования опубликованы в журнале PRX Life.

Ученые изучали отдельные клетки E. coli с помощью микрофлюидной установки, известной как «материнская машина», которая удерживает бактерии в микроскопических каналах и позволяет наблюдать за их ростом и поведением на протяжении нескольких поколений.

В рамках эксперимента клетки поочередно помещали в среды с богатым и бедным содержанием питательных веществ. Выяснилось, что бактерии реагируют не только на текущие условия, но и на изменения в окружающей среде, происходившие ранее. Более того, «обученные» клетки, которые развивались в условиях быстрых изменений, впоследствии адаптировались более эффективно, чем бактерии из стабильной среды.

По словам авторов, предыдущие воздействия влияют на скорость роста и стратегии поведения микроорганизмов, что указывает на наличие механизма хранения информации о прошлом опыте.

Адаптация роста бактерий к динамике питания. (а) В отличие от клеток, испытывающих однократное увеличение питательных веществ (черный цвет), бактерии, подвергнутые импульсному воздействию богатого питательными веществами субстрата (зеленый цвет), значительно ускоряют рост после нескольких импульсов, но скорость роста стабилизируется на уровне, значительно меньшем, чем у клеток, находящихся в условиях постоянного (не импульсного) обогащения питательными веществами. Переключение проводилось между низкой (0,1%) и высокой (2%) концентрациями нутриентов. Каждая кривая представляет собой усредненную по популяции мгновенную скорость роста, которая была рассчитана на основе траекторий объема одной усредненных по времени по ячейкам с интервалом в 2 минуты. (b) Зависимость скорости роста от временного профиля колебаний питательных веществ на примере клеток E. coli K-12 MG1655, подвергнутых замене питательных веществ ацетатом натрия и глюкозой с аминокислотами. (c) (внизу) Показаны две примерные траектории для пульсации с периодом времени θ=2 часа (зеленый) и θ=3 часа (синий). В ходе каждого эксперимента отслеживалось около 30000 клеток для получения полного списка экспериментальных условий и размеров выборки). (c) (вверху) Для каждого экспериментального условия эффективная постоянная времени адаптации, 𝜏, получена путем подгонки данных о скорости роста к экспоненциальному сценарию. (d) Постоянная времени адаптации θ уменьшается с увеличением частоты импульсов на 1/θ. Постоянные времени были получены путем подгонки траектории средней скорости роста первых трех повышений через 6 ч после начала пульсации. (e) Для клеток, первоначально выращенных в среде с низким содержанием питательных веществ, как показано в (c), постоянная времени адаптации уменьшается при последующем обогащении питательными веществами, а затем стабилизируется.Источник: https://journals.aps.org/

Память, которая передается потомкам

Особенно удивительным является то, что такая память может передаваться следующим поколениям. Бактерии делятся каждые 30–60 минут, однако белки, выработанные в условиях стресса, сохраняются и переходят к дочерним и даже внучатым клеткам.

Благодаря этим молекулам потомки получают сведения о событиях, которые они сами никогда не переживали. Если клетка-предок сталкивалась со стрессом и выживала, ее потомки могут реагировать на окружающую среду, опираясь на этот опыт.

Авторы также продемонстрировали, что бактерии способны различать частоту изменений среды. Для этого, как предполагают исследователи, требуется более сложная система памяти, чем считалось ранее.