Бактериям подарили возможность надёжно запоминать информацию об окружающей среде
Само собой разумеется, у одноклеточных организмов отсутствуют какие-либо механизмы нервной деятельности, а значит, они не могут ничего запоминать. Но учёные из Университета Райса в Техасе научили бактерии сохранять воспоминания на генетическом уровне. Модифицированные микроорганизмы могут собирать информацию об окружающей среде и записывать её в своих генах.
Аспирантка Эмили Фалк (Emily Fulk) работает с почвенными бактериями, которые играют важную роль в разложении мёртвых организмов, а также захватывают азот из атмосферы и переводят его в формы, которые могут использовать растения и животные. Но до сих пор у учёных остаётся много вопросов, касающихся жизни этих микробов. Например, как они переносят засуху или чрезмерное количество удобрений. Чтобы найти ответы, необходимо проводить длительные наблюдения, которые сложно осуществить с помощью современных методов мониторинга. Вот почему Фалк решила обратиться к синтетической биологии.
В предыдущих исследованиях учёные уже вводили в кольцевые молекулы бактериальной ДНК "гены-переключатели", которые активировались в присутствии определённого химического вещества. В результате в ответ на изменение среды клетки начинали посылать определённый химический сигнал. Этот механизм использовали, например, для обнаружения нитратов. Когда они присутствовали в почве поблизости, микроорганизмы начинали производить флуоресцентный белок.
Однако в почве сложно заметить светящиеся клетки, поэтому Фалк и её коллеги научили бактерии реагировать на присутствие определённых веществ, выделяя газ.
Однако и этого оказалось не достаточно. Ведь, чтобы приборы могли зафиксировать сигнал, он должен быть достаточно продолжительным. Между тем предыдущий механизм переставал работать сразу после исчезновения раздражителя. Кроме того, большинство бактерий живут лишь несколько часов, что тоже не подходит для длительных наблюдений.
Тогда, чтобы решить проблему, команда создала бактерии, которые записывали случай контакта с целевым веществом и хранили эту информацию всю свою жизнь и даже после смерти. Для этого учёные впервые использовали необычный подход: они разделили генетический датчик на две части.
Один ген играл роль переключателя и в ответ на присутствие целевого вещества начинал производить фермент, необходимый для активации "гена-лампочки", который, в свою очередь, запускал выделение газа. Но, в отличие от предыдущих работ, в новой системе активацию сигнального гена невозможно отменить.
В ходе эксперимента бактерии активировались, когда съедали арабинозу. В ответ "ген-переключатель" производил фермент, который заставлял "ген-лампочку" начать производство газа бромметана. В результате исследователи не только наблюдали увеличение концентрации газа в колбе, но и могли проверить, запускался ли сигнальный механизм, извлекая ДНК из уже мертвых клеток.
"Используя память, мы можем инкубировать наши микробы в течение недели, месяца или сезона, а затем взглянуть на них и посмотреть, что они встретили за весь период, а не только в определённый момент времени", – объясняет Фалк на сайте Американского геофизического союза.
Учёные считают, что их работа поможет создать живой аналитический инструмент, построенный по принципу конструктора. Пользователь сможет выбрать химическое соединение, которое необходимо обнаружить, вид бактерии и способ индикации. Затем все эти компоненты объединятся методами генной инженерии для решения широкого спектра задач. Например, с помощью бактериальной памяти можно изучать плохо понятные аспекты метаболизма микроорганизмов, таких как цикл серы и синтез метана.
Стоит отметить, что это не единственный вид необычной памяти, которая встречается у микроорганизмов. Так технология редактирования геномов CRISPR/Cas9 построена на молекулярном механизме, который позволяет бактериям запоминать атаковавшие их вирусы и защищаться от новых нападений. Ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) также рассказывали и про другие достижения в области манипулирования геномом бактерий, например, для настройки самоуничтожения после выполнения различных миссий.