Бактериальные клетки могут хранить воспоминания

Бактериальные клетки намного проще клеток животных — у бактерий даже нет мембранно-связанных органелл, таких как митохондрии или ядро. Однако новое исследование показало, что бактериальные клетки способны формировать нечто вроде памяти, когда речь идет об оркестрованном поведении или функционировании микробов, как, например, при некоторых инфекциях или устойчивости к антибиотикам.

Ученые выяснили, что железо может работать как химический сигнал, который используется бактериями для создания и передачи воспоминаний на протяжении нескольких поколений. Результаты исследования, в котором использовались непатогенные клетки кишечной палочки (E. coli), были опубликованы в журнале PNAS в ноябре 2023.

Предыдущие исследования показали, что бактерии могут двигаться как единое целое, своего рода рой, и что последующие рои обладают лучшей производительностью. Поскольку бактериальные клетки совсем не похожи на нейроны или нервные системы, ученые хотели узнать, как они коллективно совершенствуются.

«У бактерий нет мозга, но они могут собирать информацию из окружающей среды, и если они часто сталкивались с этой средой, то могут хранить эту информацию и быстро обращаться к ней в дальнейшем», — говорит ведущий автор исследования Сувик Бхаттачария (Souvik Bhattacharyya) из отделения молекулярных бионаук Техасского университета в Остине.

Исследователи обнаружили, что уровень железа может позволить бактериям формировать память, подобно тому, как это делает компьютер. Железо — один из самых распространенных элементов на планете, и оно часто встречается в бактериальных клетках. Если уровень железа ниже, то роение, при котором жгутики бактерий перемещаются по организму, происходит лучше. Но в бактериальных клетках, расположенных в таких местах, как липкие биопленки, которые часто остаются на месте, уровень железа выше. В бактериях, устойчивых к антибиотикам, уровень железа не является ни низким, ни высоким. Исследователи обнаружили, что эти характерные уровни остаются неизменными в бактериальных клетках и их потомстве на протяжении как минимум четырех поколений. К семи поколениям они исчезали.

«Прежде чем в атмосфере Земли появился кислород, ранняя клеточная жизнь использовала железо для многих клеточных процессов. Железо имеет решающее значение не только для зарождения жизни на Земле, но и для ее эволюции», — говорит Бхаттачария. «Логично, что клетки использовали его именно таким образом».

Авторы исследования предположили, что при низком уровне железа бактериальная память может вызвать быстрый миграционный рой, например, для поиска железа в окружающей среде. Но если уровень железа высок, то окружающая среда, вероятно, является отличным местом для того, чтобы закрепиться и сформировать биопленку, на что указывает их так называемая память.

«Уровень железа определенно является мишенью для терапевтических препаратов, поскольку железо — важный фактор вирулентности(степень способности инфекционного агента вызывать заболевание или гибель организма)», — говорит Бхаттачария. «В конечном итоге, чем больше мы знаем о поведении бактерий, тем легче с ними бороться».

Souvik Bhattacharyya, Nabin Bhattarai, Dylan M. Pfannenstiel et. al. A heritable iron memory enables decision-making in Escherichia coli. PNAS 2023. https://doi.org/10.1073/pnas.2309082120