Ein einzelliger Organismus ohne nennenswertes Gehirn oder Nervensystem kann neuen Forschungsergebnissen zufolge dennoch Erinnerungen bilden und diese Erinnerungen an zukünftige Generationen weitergeben.
Das allgegenwärtige Bakterium, Escherichia coli, ist eine der am besten erforschten Lebensformen auf der Erde, und dennoch entdecken Wissenschaftler immer noch unerwartete Wege, wie sie überlebt und sich verbreitet.
Forscher der University of Texas und der University of Delaware haben nun ein potenzielles Speichersystem entdeckt, das dies ermöglicht E coli sich für mehrere Stunden und Generationen an vergangene Erfahrungen zu „erinnern“.
Das Team sagt, dass diese Art von bakteriellem Gedächtnis ihres Wissens noch nie zuvor entdeckt wurde.
Offensichtlich ist das Gedächtnis, über das Wissenschaftler in diesem Fall sprechen, nicht dasselbe wie das bewusste menschliche Gedächtnis.
Das Phänomen des bakteriellen Gedächtnisses beschreibt stattdessen, wie Informationen aus vergangenen Erfahrungen aktuelle Entscheidungen beeinflussen.
„Bakterien haben kein Gehirn, aber sie können Informationen aus ihrer Umgebung sammeln, und wenn sie dieser Umgebung häufig begegnet sind, können sie diese Informationen speichern und später schnell zu ihrem Nutzen darauf zugreifen“, erklärt der leitende Molekularbiowissenschaftler Souvik Bhattacharyya von der UT .
Die Ergebnisse von Bhattacharyya und ihrem Team basieren auf starken Assoziationen aus mehr als 10.000 Bakterienschwärmungstests.
Diese Experimente dienten der Prüfung, ob E coli Zellen auf einer einzigen Platte würden zu einer wandernden Masse zusammenschwärmen, die sich mit demselben Motor bewegt. Ein solches Verhalten weist im Allgemeinen darauf hin, dass sich Zellen zusammenschließen, um effizient nach einer geeigneten Umgebung zu suchen.
Andererseits, wann E coli Zellen verklumpen zu einem klebrigen Biofilm und besiedeln auf diese Weise eine nährstoffreiche Oberfläche.
In ersten Experimenten haben Forscher aufgedeckt E coli Zellen verschiedenen Umweltfaktoren ausgesetzt, um zu sehen, welche Bedingungen das Schwärmen am schnellsten auslösten.
Letztendlich stellte das Team fest, dass intrazelluläres Eisen der stärkste Prädiktor dafür war, ob sich die Bakterien bewegten oder blieben.
Niedrige Eisenwerte waren mit einem schnelleren und effizienteren Schwarmverhalten verbunden, wohingegen höhere Werte zu einem sesshafteren Lebensstil führten.
Unter der ersten Generation E coli Zellen schien dies eine intuitive Reaktion zu sein. Aber nach nur einem Schwarmereignis waren Zellen, die später im Leben niedrige Eisenwerte aufwiesen, beim Schwärmen sogar noch schneller und effizienter als zuvor.
Darüber hinaus wurde dieses „eiserne“ Gedächtnis an mindestens vier aufeinanderfolgende Generationen von Tochterzellen weitergegeben, die aus der Spaltung der Mutterzelle in zwei neue Zellen entstehen.
In der siebten Generation der Tochterzellen ging dieses Eisengedächtnis auf natürliche Weise verloren – obwohl es wiederhergestellt werden könnte, wenn Wissenschaftler es künstlich verstärken würden.
Die Autoren der Studie haben noch keinen molekularen Mechanismus hinter dem potenziellen Gedächtnissystem oder seiner Vererbbarkeit identifiziert, aber der starke Zusammenhang zwischen intrazellulärem Eisen und generationsübergreifendem Schwarmverhalten lässt darauf schließen, dass ein gewisses Maß an anhaltender Konditionierung im Spiel ist.
Während die Epigenetik bekanntermaßen eine Rolle bei der Weitergabe „erinnerter“ biologischer Einstellungen über Generationen hinweg spielt E coli Durch die Regulierung der „Ein“- und „Aus“-Einstellungen bestimmter Gene gehen die Forscher davon aus, dass die kurze Dauer der Erblichkeit bedeutet, dass dies hier nicht der primäre Mechanismus ist.
Eisen ist mit mehreren Stressreaktionen bei Bakterien verbunden. Es ist evolutionär sehr sinnvoll, dass sich um ihn herum ein generationsübergreifendes Gedächtnissystem bildet.
Ein eisenbasiertes Gedächtnissystem könnte helfen E coli Anpassung an schlechte Umweltbedingungen oder Antibiotika.
Ein einzelner E coli Eine Zelle kann sich innerhalb einer halben Stunde verdoppeln, sodass die Fähigkeit, ein solches Gedächtnis an Tochterzellen weiterzugeben, wahrscheinlich auch in sich langsam verändernden Umgebungen von Vorteil ist.
„Bevor es Sauerstoff in der Erdatmosphäre gab, nutzte das frühe zelluläre Leben Eisen für viele zelluläre Prozesse“, sagt Bhattacharyya.
„Eisen ist nicht nur für die Entstehung des Lebens auf der Erde von entscheidender Bedeutung, sondern auch für die Entwicklung des Lebens. Es macht Sinn, dass Zellen es auf diese Weise nutzen.“
„Letztendlich“, so Bhattacharyyas Fazit, „ist es umso einfacher, sie zu bekämpfen, je mehr wir über das Verhalten von Bakterien wissen.“
Die Studie wurde veröffentlicht in PNAS.