Bakterie mają pamięć – w czym może nam pomóc to odkrycie?

U tych jednokomórkowych organizmów występuje wielopokoleniowa pamięć. Działa jednak na zupełnie innych zasadach niż pamięć ludzka.

istockphoto

Zdolność do podejmowania trafnych decyzji jest umiejętnością podstawową dla przetrwania i rozwoju gatunku. Za błędy się płaci, a czasami cena może być bardzo wysoka. Małe dziecko nie wie jeszcze, że padający za oknem śnieg to sygnał, że panuje mróz. Uczy się tego, by po pewnym czasie, sięgając do zakodowanych w pamięci danych, wiedzieć, że w taką pogodę należy się ciepło ubrać, aby nie zamarznąć. Mechanizm zapamiętywania pozwala nam gromadzić wiedzę i doświadczenie, a następnie, opierając się na tych zasobach, podejmować decyzje obarczone mniejszym ryzykiem błędu. Dzięki temu rozwijamy się nie tylko jako jednostki, ale również jako gatunek. Możemy przetrwać i radzić sobie w coraz trudniejszych warunkach.

Procesy pamięciowe to jedne z najbardziej fascynujących i wciąż w znacznej mierze nieodkrytych mechanizmów. Do niedawna funkcjonowało przekonanie, że odpowiadają za nie wyłącznie komórki nerwowe, a pamięć jest zdolnością jedynie organizmów wielokomórkowych. Okazuje się jednak, że mechanizm zapamiętywania występuje również u bardzo prostych, jednokomórkowych organizmów, jakimi są bakterie.

Co zapamiętują bakterie?

Najnowsze badania na ten temat opublikowali naukowcy z Uniwersytetu Teksańskiego i Uniwersytetu Delaware. W swoim projekcie badawczym skoncentrowali się na bardzo dobrze znanej bakterii Escherichia coli (pałeczce okrężnicy). Z przeprowadzonych przez nich obserwacji wynika, że bakteria ta wykształciła pewnego rodzaju mechanizm zapamiętywania. Nie jest to jednak pamięć podobna do ludzkich wspomnień.

Ludzka pamięć działa w taki sposób, że określone neurony reagują na powtarzalne bodźce. W ten sposób kształtują się wspomnienia długotrwałe. W przypadku bakterii sprawy mają się inaczej, bo to organizmy jednokomórkowe, nie mają więc ani specjalnych układów odpowiadających za zapamiętywanie, ani nawet pojedynczych, wyspecjalizowanych do tego celu komórek. Nie zachodzą u nich procesy pamięciowe będące bezpośrednim odzwierciedleniem tych ludzkich, a „wspomnienia” bakterii są czymś innym niż wspomnienia człowieka. Pamięć bakterii nie uruchamia wspomnień, za którymi u człowieka często idą emocje. To raczej zapis danych podobny do rejestracji informacji na nośniku komputerowym.

A jednak w przypadku bakterii E. coli udało się zaobserwować i opisać pamięć trwającą przez kilka pokoleń. Przeprowadzono w tym celu ponad 10 000 testów na grupie pojedynczych komórek. Okazało się, że kluczową rolę w procesie zapamiętywania tych mikroorganizmów odgrywa pewien popularny pierwiastek.

Pamięć z żelaza

Bakterie to jedne z najstarszych organizmów istniejących na naszej planecie. Wykształciły się w czasach, gdy na Ziemi panowały zupełnie inne warunki niż dziś; w atmosferze było znacznie mniej tlenu, a jednym z najpopularniejszych pierwiastków – żelazo. Żelazo właśnie było bardzo intensywnie wykorzystywane przez pierwsze żywe organizmy. – Wczesne życie na Ziemi wykorzystywało żelazo do różnych wewnętrznych procesów, więc ma ono kluczowe znaczenie dla powstawania życia i jego ewolucji – podkreśla kierownik badań Souvik Bhattacharyya z Uniwersytetu Teksańskiego. To właśnie obecność żelaza odpowiada za możliwości pamięciowe bakterii E. coli.

Jak wyglądały przeprowadzone przez zespół Bhattacharyya’ego eksperymenty? Naukowcy postanowili poddać komórki bakteryjne działaniu różnych czynników, które mogłyby wpłynąć na łączenie się tych organizmów w większe grupy i roje oraz powodować ruchliwość. Okazało się, że tego rodzaju reakcję wywołuje niska zawartość żelaza. Choć poziom żelaza w pojedynczych bakteriach był początkowo różny, to właśnie te o niskiej zawartości tego pierwiastka łączyły się w rój.

Co ważne, zjawisko nie było przypadkowe, ale powtarzalne. Podobne wyniki uzyskiwano w poszczególnych sesjach eksperymentu oraz wtedy, gdy jednemu testowi poddano kilka pokoleń bakterii. Łącząc się w rój, bakterie intensyfikowały poszukiwanie żelaza w otoczeniu; zjawisko to było bardzo silne do czwartego pokolenia, a trwało nawet do siódmego. Kilka kolejnych generacji przekazywało sobie informację o konieczności wzbogacenia w żelazo. Ich aktywność i ruchliwość spadały, gdy udało im się znaleźć w środowisku, które pozwoliło na wysokie nasycenie żelazem, co oznaczało dobrą przestrzeń do dalszego rozwoju.

To system, który pozwala bakteriom na dostosowywanie się do zmiennych warunków, na przykład sytuacji, w której bakteria musi radzić sobie z antybiotykiem.

Wcześniejsze badania

Obserwacje badaczy z Uniwersytetu Teksańskiego nie są pierwszymi, które mówią nam o procesach pamięciowych w świecie jednokomórkowców. Już w 2020 roku zespół naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego opublikował wyniki swoich badań, z których wynikało, że również bakterie Bacillus subtilis mają pamięć, choć ich mechanizm zapamiętywania jest nieco inny niż w przypadku pałeczki E. coli. Bakterie te były w stanie przechowywać i wykorzystywać informacje o wydarzeniach z przeszłości nawet przez kilka godzin. W zespole prowadzącym te badania była m.in. Polka dr Maja Białecka-Fornal.

W przypadku bakterii Bacillus subtilis tym, co uruchamiało proces zapamiętywania, była ekspozycja na niebieskie światło. Zachodziło ono na poziomie błony komórkowej organizmu. Bakterie żyjące w grupie przekazywały sobie informację przez błonę za pomocą mechanizmu podobnego do funkcjonowania sieci neuronów. To podobieństwo z neuronami ma ogromne znaczenie dla dalszych badań.

Więcej niż ciekawostka

Choć samo odkrycie zdolności zapamiętywania przez bakterie wydaje się zwykłą ciekawostką, to w rzeczywistości może być kluczem otwierającym wiele drzwi do opracowywania praktycznych rozwiązań w dziedzinie medycyny.

Po pierwsze, bakterie to najstarsze organizmy ziemskie i poznanie ich mechanizmów zbierania danych może pomóc nam w badaniach nad wczesnym etapem kształtowania się systemu nerwowego, a co za tym idzie – procesów zapamiętywania u bardziej skomplikowanych organizmów wielokomórkowych. Poznanie tych mechanizmów może być cenne w poszukiwaniu sposobów leczenia schorzeń związanych z zaburzeniami pamięci i niektórych funkcji poznawczych.

Drugim istotnym polem badawczym, na którym możemy wykorzystać wiedzę o pamięci bakterii, jest produkcja lekarstw stosowanych w infekcjach bakteryjnych. Jeśli pamięć bakterii pozwala jej na przystosowywanie się do niesprzyjającego środowiska, to właśnie w bliższym poznaniu tego mechanizmu może leżeć rozwiązanie problemu antybiotykooporności. A to zjawisko z każdym rokiem nabiera coraz większych rozmiarów.

Wiedza o pamięci komórek bakteryjnych może też znaleźć zastosowanie w pracach nad stworzeniem biokomputerów, czyli systemów komputerowych wykorzystujących proste organizmy żywe jako nośniki danych.

Poznanie pozornie niewiele znaczących procesów, które zachodzą w tak pierwotnych organizmach jak bakterie, może więc być przełomem w co najmniej kilku dziedzinach badań.