«Безмозглые» бактерии хорошо учатся и все помнят

Память без мозга? Исследование показало, что бактерии не только реагируют на среду, но и используют прошлый опыт для принятия «решений». Бактерии помнят даже то, чего уже нет.

Материнская машина — устройство из нанотрубок, в которых можно менять и отслеживать режимы питания и рост бактериальных культур с разрешением в одну клетку..

Источник: https://phys.org/

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

Ученые наблюдали за отдельными клетками E. coli с помощью микрофлюидной установки под названием «материнская машина» (mother machine), которая удерживает бактерии в микроскопических каналах и позволяет отслеживать их рост и поведение на протяжении многих поколений.

В ходе эксперимента клетки поочередно помещали в богатую и бедную питательными веществами среду. Оказалось, что бактерии реагируют не только на текущие условия, но и на то, как менялась окружающая среда раньше. Более того, «тренированные» клетки, выросшие в быстро меняющихся условиях, впоследствии адаптировались эффективнее, чем бактерии из стабильной среды.

По словам авторов, история предыдущих воздействий влияет на скорость роста и стратегию поведения микроорганизмов. Это свидетельствует о наличии у них механизма хранения информации о прошлом опыте.

Адаптация роста бактерий к динамике питания. (а) В отличие от бактерий, испытывающих однократное увеличение количества 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 переживает поколения

Особенно неожиданным стало то, что такая память может передаваться потомкам. Бактерии делятся каждые 30–60 минут, однако белки, выработанные во время стрессовых ситуаций, непременно сохраняются и переходят дочерним и даже внучатым клеткам.

Благодаря этим молекулам потомки получают информацию о событиях, которых сами никогда не переживали. Если клетка-предок сталкивалась со стрессом и выживала, ее потомки впоследствии могут реагировать на окружающую среду с учетом этого опыта.

Авторы также показали, что бактерии способны различать частоту изменений среды. Для этого, как считают исследователи, требуется более сложная система памяти, чем предполагалось ранее.

Участник исследовательской команды Фангвей Си

Источник: https://phys.org/

Значение для медицины

Полученные результаты могут изменить представления о лечении бактериальных инфекций. Традиционно считается, что реакция бактерий на антибиотики зависит главным образом от типа и дозировки препарата. Однако новая работа показывает: значение может иметь и предыдущий опыт микроорганизмов.

Бактерии, которые ранее переживали голодание, температурные колебания или воздействие малых доз антибиотиков, способны реагировать на лечение иначе, чем клетки без такого опыта. Это может помочь объяснить, почему одинаковая терапия иногда дает разные результаты.

А при чем тут ИИ?

Для анализа данных ученые разработали математическую модель процессов внутри клетки. Когда исследователи изучили ее работу, выяснилось, что принципы обработки информации бактериями напоминают архитектуры, используемые в системах машинного обучения.

Кишечная палочка и искусственный интеллект учатся по одному сценарию.

Источник: https://phys.org/

По мнению авторов, биологическая эволюция и искусственный интеллект независимо пришли к схожим стратегиям обучения. Работа показывает, что способность к обучению может возникать даже на уровне одной клетки благодаря сети химических реакций.

В последние годы биологи все чаще используют методы, разработанные для искусственного интеллекта, чтобы описывать процессы принятия решений в живых клетках.

Еще в 2025 году ряд исследований предполагал существование у бактерий так называемой «клеточной памяти», однако новая работа впервые показала способность различать разные частоты изменений среды и использовать эту информацию для адаптации.

Некоторые патогены способны образовывать устойчивые к антибиотикам «спящие» клетки-персистеры. Ученые считают, что механизмы памяти могут быть связаны с формированием такой устойчивости.

Генетической природе устойчивости микроорганизмов к антибиотикам посвящен недавний материал Hi-Tech Mail.