Zdolne bakterie. Przekazują "wspomnienia" swojemu potomstwu

Komórki bakteryjne mogą "pamiętać" krótkie, tymczasowe zmiany w swoich organizmach i bezpośrednim otoczeniu. I chociaż zmiany te nie są zakodowane w genetyce komórki, może ona nadal przekazywać "wspomnienia" o nich swojemu potomstwu, nawet przez wiele pokoleń.

Opis oraz wynik prac naukowców z Northwestern University oraz University of Texas-Southwestern ukazał się na łamach pisma "Science Advances" (DOI: 10.1126/sciadv.ado3232).

Bakterie przechowują zapis tego, jak otaczające je środowisko na nie wpływa. Może on być przekazywany kolejnym pokoleniom. Odkrycie to jest jednym z wielu w ostatnich latach, które mocno komplikują sposób myślenia o ewolucji. Podważa długo utrzymywane założenia dotyczące tego, w jaki sposób najprostsze organizmy przekazują i dziedziczą cechy fizyczne. Może być również wykorzystane w nowych zastosowaniach medycznych, chociażby do subtelnych modyfikacji chorobotwórczych bakterii opornych na leczenie, by ich potomstwo było bardziej wrażliwe na antybiotyki.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

- Głównym założeniem w biologii bakterii jest to, że dziedziczne cechy fizyczne są determinowane przede wszystkim przez DNA. Jednak z perspektywy złożonych systemów wiemy, że informacje mogą być również przechowywane na poziomie sieci powiązań regulacyjnych między genami. Chcieliśmy zbadać, czy istnieją cechy przekazywane od rodziców potomstwu, które nie są kodowane w DNA, a raczej w samej sieci regulacyjnej - powiedział Adilson Motter z Northwestern University, jeden z autorów badania. - Odkryliśmy, że tymczasowe zmiany w regulacji genów wywołują trwałe zmiany w sieci, które są przekazywane potomstwu. Innymi słowy, echa zmian wpływających na ich rodziców utrzymują się w sieci regulacyjnej, podczas gdy DNA pozostaje niezmienione - dodał.

Od czasu, gdy naukowcy po raz pierwszy zidentyfikowali molekularne podstawy kodu genetycznego w latach 50. XX wieku, zakładali, że cechy są przekazywane głównie, jeśli nie wyłącznie, za pośrednictwem DNA. Jednak w tym założeniu nie wszystko się zgadzało.

Thomas Wytock z Northwestern University, współautor publikacji, przytoczył jako przykład dziedziczenia cech bez udziału DNA głód panujący w Holandii podczas II wojny światowej. Badania wykazały, że dzieci mężczyzn, którzy byli narażeni na głód w łonie matki, wykazywały zwiększoną tendencję do nadwagi jako dorośli. Tego typu "pamięć" może trwać pokolenia, w tym przypadku ostrzegając, że mogą nadejść niedobory żywności, więc organizm powinien zgromadzić jak najwięcej kalorii. Jednak ustalenie przyczyn tego typu dziedziczenia niegenetycznego u ludzi okazało się trudne.

- W przypadku złożonych organizmów wyzwanie polega na rozplątaniu czynników zakłócających - powiedział Motter. - Być może możemy wyizolować takie przyczyny u najprostszych organizmów jednokomórkowych, ponieważ możemy kontrolować ich środowisko i ingerować ich genetykę. Jeśli coś zaobserwujemy, możemy przypisać pochodzenie dziedziczenia niegenetycznego ograniczonej liczbie możliwości, w szczególności zmianom w regulacji genów - dodał.

Sieć regulacyjna jest analogiczna do sieci komunikacyjnej, której geny używają do wpływania na siebie nawzajem. Zespół badawczy postawił hipotezę, że sama ta sieć może stanowić klucz do przekazywania cech potomstwu. Do zbadania tej kwestii uczeni wykorzystali dobrze poznaną bakterię Escherichia coli.

- W przypadku E. coli cały organizm jest pojedynczą komórką - powiedział Wytock. - Ma znacznie mniej genów niż komórka ludzka, nieco ponad 4000 w porównaniu do 20 000. Ponieważ E. coli jest dobrze zbadanym organizmem modelowym, znamy organizację sieci regulacji genów – zaznaczył. Zaletą pracy z bakteriami jest to, że replikują się bardzo szybko i można obserwować wiele pokoleń w stosunkowo krótkim czasie.

Zespół badawczy wykorzystał matematyczny model sieci regulacji, aby symulować tymczasową dezaktywację i późniejszą reaktywację poszczególnych genów u E. Coli. Uczeni odkryli, że te przejściowe zaburzenia mogą generować trwałe zmiany, które mogą być dziedziczone przez wiele pokoleń.

Jeśli zmiany są kodowane w sieci regulacyjnej, a nie w DNA, to w jaki sposób bakteria może je przekazywać przez pokolenia? Według ich koncepcji, tymczasowe, odwracalne zaburzenie wywołuje nieodwracalną reakcję łańcuchową w sieci regulacyjnej. Dezaktywacja jednego genu wpływa na gen znajdujący się obok niego w sieci. Do czasu reaktywacji pierwszego genu kaskada jest już w pełnym rozkwicie.

- Geny oddziałują ze sobą. Jeśli zakłócisz jeden gen, wpłynie to na inne – powiedział Motter, dodając, że różne rodzaje zaburzeń mogą powodować podobny efekt. Mogą to być zmiany w środowisku bakterii, może to być temperatura, dostępność składników odżywczych lub pH.

Zaburzenie nie zawsze powoduje długoterminowe skutki, ale zespół był w stanie zidentyfikować czynniki, które zwiększały na to szanse. Na przykład, gdy zaburzony gen znajduje się blisko "silnie połączonego komponentu" sieci regulacyjnej, jest bardziej prawdopodobne, że efekty będą się utrzymywać, nawet po przywróceniu normalnego statusu genu.

Badacze osiągnęli takie zaburzenia w laboratorium, ale uważają, że naturalne zmiany w środowiskach, w których żyją E. coli, mogą powodować podobne zaburzenia, choć prawdopodobnie znacznie mniej wydajne.

Źródło: Northwestern University, IFLScience, fot. Camila Felix/Northwestern University