Atklājumi.lv

Mikrobiem atklāta "paredzēšanas" spēja

Izraēlas zinātnieki atklājuši, ka mikroorganismiem (zarnu nūjiņām Escherichia coli un rauga Saccharomyces cerevisae šūnām) piemīt apsteidzošas reaģēšanas spējas, kas atgādina klasiskos Pavlova nosacījuma refleksus. Ja dabīgajā dzīves vidē viens stimuls bieži ir pirms otra, tad mikrobi var iemācīties reaģēt uz pirmo stimulu kā uz signālu, kas brīdina par drīzu otrā stimula parādīšanos. Atšķirībā no Pavlova suņiem, mikrobi savus "refleksus" iegūst nevis apmācībā, bet gan pateicoties mutācijām un atlasei daudzās paaudzēs.

Daudzi dzīvnieki no ārējās vides nākošo signālu klāstā spēj uztvert noteiktas likumsakarības un tās izmantot nākotnes notikumu "apsteigšanai" - apsteidzošai reaģēšanai. Tāda ir I. Pavlova pētīto klasisko nosacījuma refleksu būtība. Ja suņu barošanas laikā (vai dažas sekundes pirms tās) ieslēdz skaņas signālu, tad drīz ar vienu pašu signālu pietiks, lai sunim sāktu izdalīties siekalas.

Organismiem bez nervu sistēmas, tai skaitā vienšūņiem, dzīves laikā apmācības iespējas ir ļoti ierobežotas. Taču tas nenozīmē, ka tie principā nav spējīgi uz apsteidzošo reaģēšanu. Teorētiski tie var iemācīties paredzēt notikumus ne sliktāk par Pavlova suņiem, taču pateicoties nevis apmācībai dzīvē, bet gan evolūcijai. Citiem vārdiem, "parastās" atmiņas, kas tiek ierakstīta starpneironu saišu struktūrā, vietā var izmantot DNS ierakstīto ģenētisko atmiņu. Pateicoties gigantiskajam mikrobu populācijas lielumam, augstam mutāciju biežumam un ļoti ātrai paaudžu maiņai, šādu mikrobu "evolucionāro apmācību" pēc tās ātruma var pilnībā salīdzināt ar augstāko dzīvnieku "parasto" pieredzes uzkrāšanu.

Tāpat kā ar Pavlova suņiem, lai mikrobiem veidotos apsteidzošā reaģēšana, nepieciešama zināma vides paredzamības pakāpe. Ja stimuls A vienmēr vai ļoti bieži ir pirms stimula B, un turklāt stimuls B ir tāds, ka tam labāk gatavoties jau iepriekš, tad organisms var iemācīties uztvert A kā "brīdinājumu" par drīzu B parādīšanos. Šādā situācijā dabīgā atlase var atbalstīt mutācijas, kas ļauj organismam kā atbildi uz "brīdinošo" faktoru sākt gatavošanos B.

Teorētiski atkarībā no tā, kā šie stimuli ir izvietoti viens pret otru laikā, izdevīgas var būt dažādas reaģēšanas stratēģijas (sk. 1. zīmējumu). No četriem zīmējumā parādītajiem variantiem, pirmais - pats triviālākais - jau sen ir zināms un izpētīts neskaitāmos piemēros. Otrs ir izpētīts vājāk, taču tā pastāvēšana ir pārliecinoši parādīta eksperimentos ar raugu (Acar et al., 2008. Stochastic switching as a survival strategy in fluctuating environments).

Trešajam variantam (simetriska apsteidzoša reaģēšana) jāpievēršas rūpīgāk. To atklāja tikai pērn, veicot eksperimentus ar zarnu nūjiņu (Tagkopoulos et al., 2008. Predictive behavior within microbial genetic networks). Turklāt tad pirmoreiz tika parādīta mikrobu spēja uz apsteidzošu reaģēšanu. Kā arī, pirmoreiz izdevās nodemonstrēt, ka gēnu regulācijas tīklu evolūcija mikroorganismos tiešām var imitēt augstāko dzīvnieku apmācības procesu.

Zarnu nūjiņa dzīvo pārmaiņus gan ārējā vidē (piemēram, ūdenī vai augsnē), gan zīdītāju barības traktā. Baktērijai nokļūstot zīdītāja kuņģī, tā saskaras ar diviem jauniem stimuliem: temperatūras paaugstināšanos un skābekļa trūkumu. Izrādījās, ka zarnu nūjiņai ir izstrādājusies "simetriska apsteidzošā reaģēšana" uz šiem stimuliem. Kā atbilde uz temperatūras paaugstināšanu baktērijai aktivizējās ne tikai gēni, kas nepieciešami aizsardzībai no "karstuma šoka", bet arī gēni, kas nepieciešami izdzīvošanai bezskābekļa apstākļos. Tas notiek pat tad, ja vidē vēl ir daudz skābekļa. Ja baktēriju pakļauj skābekļa badam, nepaaugstinot vides temperatūru, arī tad baktērija reaģē abos veidos: "tiešajā" uz skābekļa trūkumu un "apsteidzošajā" - uz siltuma šoku, kas vēl nav iestājies.

Baktērija it kā jau iepriekš zina - ja tā ir nokļuvusi siltā vietā, tad drīz tai nebūs ko elpot, bet, ja tai nav ko elpot, tad drīz, visticamāk, kļūs ļoti silts. Šos evolūcijas gaitā izstrādātos refleksus var zaudēt dažos simtos paaudžu, ja baktēriju audzē vidē tikai ar vienu no stimuliem (piemēram, siltā vidē ar lielu skābekļa daudzumu). Tieši tāpat arī Pavlova suns pakāpeniski pārstāj reaģēt uz skaņas signālu, ja to vairs nepastiprina atalgošana ar barību. Atgādināšu, ka baktērijām, atšķirībā no suņiem, "apmācība" notiek mutāciju un atlases rezultātā un prasa daudzu paaudžu nomaiņu.

Baktērijas, kas zaudē apsteidzošās reaģēšanas spēju, ja izzūd saistība starp abiem stimuliem, pierāda, ka divu reakciju (uz siltumu un skābekļa badu) saistība nav fundamentāla baktērijas gēnu regulācijas tīkla īpašība. Divas reakcijas uz diviem dažādiem stimuliem - tie tiešām ir divi dažādi procesi, kas "evolucionārās apmācības" gaitā var kļūt saskaņoti, bet var arī zaudēt šo saskaņotību, ja tā vairs nav nepieciešama.

Tātad, mikrobiem līdz šim neatklāts palika tikai pēdējais no četriem zīmējumā parādītajiem variantiem: asimetriska apsteidzošā reaģēšana. Tieši šo plaisu aizpildīja Izraēlas zinātnieki žurnāla Nature vietnē publicētajā rakstā. Bija izvēlēti klasiski pētījuma objekti: raugs un zarnu nūjiņa. Abi šie organismi savas dzīves laikā saskaras ar krasām apkārtējo apstākļu izmaiņām. Pats galvenais, ka šo izmaiņu secība laikā ir daļēji paredzama. Tieši tas arī padara asimetriskās apsteidzošās reaģēšanas veidošanos iespējamu.

Autori noformulēja trīs kritērijus, kuriem mikrobu uzvedībai jāatbilst, lai to varētu klasificēt kā asimetrisku apsteidzošu reaģēšanu:

1) Uzvedībai jābūt adaptīvai, tas ir, izdevīgai. Citiem vārdiem, stimula A iedarbībai ir jāpalielina mikrobu dzīvotspēja vēlāk, kad sāks darboties stimuls B. Tas nozīmētu, ka mikrobi patiešām ir "uztvēruši" likumsakarību divu stimulu secīgā izpausmē un iemācījušies izmantot A kā signālu, pēc kura var sākt gatavoties B. Pretējam efektam nav jābūt, tas ir, stimula B iedarbībai nav jāpaaugstina dzīvotspēja vēlākajos A apstākļos. Pretējā gadījumā tā būs jau agrāk atklātā simetriskā apsteidzošā reaģēšana.

2) Lai sagatavotos stimulam B, noteikti jātērē resursi. Citiem vārdiem, laicīga, izdzīvošanai B apstākļos nepieciešamu gēnu iedarbināšana nedrīkst dot nekādu labumu līdz brīdim, kad B apstākļi tiešām neiestāsies. Tas pierādīs, ka atlase atbalstīja apsteidzošo reaģēšanu ne tādēļ, ka tā ir izdevīga jau A apstākļos, bet tāpēc, ka "zaudējumus", ko mikrobi cieš A apstākļos, ar uzviju kompensē tie ieguvumi, ko tas iegūst vēlāk, iestājoties B apstākļiem.

3) Apsteidzošajai reakcijai jābūt specifiskai. Citiem vārdiem, mikrobiem jāsāk "gatavoties" B apstākļiem, tikai atbildot uz stimulu A, kas mikroba dabīgajā dzīves vidē parasti ir pirms B apstākļus iestāšanās. Citi stimuli nedrīkst izsaukt tādu mikroba "sagatavošanās" reakciju. Pretējā gadījumā šo reakciju varēs interpretēt citādi, piemēram, kā kādu "vispārīgu" atbildi uz stresa iedarbību.

Eksperimentos ar zarnu nūjiņu autori kā stimulu A izmantoja cukura laktozes klātbūtni, bet kā stimulu B - cita cukura, maltozes, klātbūtni. Lietas būtība tajā, ka savā ceļojumā pa barības traktu zarnu nūjiņa sākumā nokļūst vidē, kurā ir daudz laktozes, bet pēc tam ir vidē, kurā ir daudz maltozes. Tāpēc teorētiski baktērija evolūcijas gaitā varēja iemācīties uztvert laktozi kā signālu, kas liecina par drīzu maltozes parādīšanos.

Eksperimenti pilnībā apstiprināja šo pieņēmumu. Izrādījās, ka laktozes klātbūtnē baktērijām aktivizējas ne tikai laktozes pārstrādei nepieciešamie gēni, bet arī gēni, kas nepieciešami maltozes pārstrādei. Maltozes klātbūtnē aktivizējas tikai "maltozes" gēni. Vidē, kurā nav neviena no abiem cukuriem, abas gēnu grupas paliek neaktīvas.

Lai pierādītu, ka maltozes gēnu iedarbināšana, atbildot uz laktozes klātbūtni, tiešām ir asimetriska apsteidzoša reaģēšana, pētījuma autori izmantoja trīs iepriekš minētos kritērijus.

Adaptivitāti novērtēja pēc baktēriju vairošanās maltozes vidē pirmajās divās stundās pēc mikrobu ievietošanas tajā. Izrādījās, ka iepriekšēja "saskarsme" ar laktozi manāmi paaugstina mikrobu vairošanās ātrumu maltozes vidē. Tātad, baktērijām patiešām ir izdevīgi jau iepriekš iedarbināt maltozes pārstrādei nepieciešamos gēnus (ja tās droši zina, ka drīz tiks "pasniegta" maltoze). Pretējais efekts atklāts netika: iepriekšēja atrašanās maltozes vidē nekādi nepaaugstināja mikrobu izdzīvošanu, tiem vēlāk nokļūstot laktozes vidē.

Apsteidzošās reaģēšanas "lielās izmaksas" tika parādītas ar evolucionāra argumenta palīdzību. Autori sprieda apmēram šādi. Pieņemsim, ka "maltozes" gēni patiešām nav vajadzīgi laktozes pārstrādei. Tad to apsteidzoša ieslēgšana vidē būs izdevīga tikai tajā gadījumā, ja pēc laktozes vidē noteikti parādīsies maltoze. Ja maltozes nebūs, šo gēnu darbība izrādīsies tikai lieka resursu tērēšana. Attiecīgi, ja mikrobus pastāvīgi baros tikai ar laktozi, atlase būs par labu tām baktērijām-mutantiem, kurām apsteidzošās reaģēšanas mehānisms ir izgājis no ierindas.

Veiktais eksperiments pilnībā apstiprināja šo pieņēmumu. Baktērijas, kuras 500 paaudžu laikā audzēja laktozes vidē bez maltozes pievienošanas, pilnībā "aizmirsa" ieslēgt savus maltozes gēnus kā atbildi uz laktozes klātbūtni. Interesanti, ka vienlaikus tās nemaz nebija zaudējušas spēju pārstrādāt maltozi. Maltozes gēni palika veseli un joprojām ieslēdzās, vidē parādoties pašai maltozei. Pazuda tikai apsteidzošā reaģēšana. Acīmredzot tas nozīmē, ka maltozes pārstrādāšanas sistēma un tiešā šīs sistēmas regulācija zarnu nūjiņas genomā ir "iemontētas" pamatīgāk, tāpēc to sabojāšanai nepieciešams lielāks mutāciju daudzums nekā apsteidzošās reaģēšanas sistēmas salaušanai.

Arī reakcijas specifiskums tika apstiprināts vairākos eksperimentos. Piemēram, parādīja, ka citi cukuri (saharoze un galaktoze), atšķirībā no laktozes, neiedarbina zarnu nūjiņas maltozes gēnus un nepaaugstina tās izdzīvošanu, pārejot vidē, kurā vienīgā barība ir maltoze.

Interesanti, ka baktērijas, kuras tika iegūtas evolucionārā eksperimenta gaitā un kurām apsteidzošās reaģēšanas mehānisms nedarbojās, strauji pārejot no laktozes vides uz maltozi, vispār nepaspēja piemēroties pārmaiņai un gāja bojā.

Tātad zarnu nūjiņa evolūcijas gaitā tiešām ir iemācījusies uztvert laktozi ne tikai kā barību, bet arī kā signālu, kas liecina par drīzu maltozes parādīšanos.

Tāpat kā ar zarnu nūjiņu, arī rauga dzīvē dažas vides apstākļu izmaiņas seko viena otrai noteiktā secībā, kas rada priekšnoteikumus apsteidzošās reaģēšanas attīstībai. Kad rauga šūnas nokļūst vīnogu sulā (vīna izgatavošanas procesā) vai vienkārši uz rūgstošas vīnogas, tad tās sākumā strauji vairojas, uzsākot rūgšanu - ātru un diezgan "neekonomisku" cukura pārstrādi bez skābekļa piedalīšanās. Rūgšanas procesā izdalās daudz siltuma. Vide var tik ļoti sasilt, ka tas sāk apdraudēt rauga dzīvību. Ticis galā ar siltuma šoku, raugs drīz saskaras ar jaunām briesmām, kas nāk no vidē uzkrātā etilspirta - rūgšanas blakusprodukta. Tāpat kā siltuma šoks, augsta spirta koncentrācija prasa no rauga attiecīgu aizsargreakciju, tas ir, noteiktu gēnu aktivizēšanu. Drīz parādās arī trešais "satricinājums": vidē beidzas rūgšanai derīgais cukurs un raugam nākam pārslēgties uz ekonomiskāku, taču arī bīstamāku barošanās veidu - uz organiskās vielas oksidēšanu ar skābekļa palīdzību. Citiem vārdiem, raugs sāk elpot. Mums tas ir vienīgais iespējamais metabolisma variants, bet raugam - kā papildus iespēja, kas nemaz nav pati optimālākā un ko tas izmanto tikai ārkārtas gadījumā. Elpošanas procesā rauga mitohondrijos rodas daudz brīvo radikāļu - tas izraisa oksidatīvo stresu, pret kuru arī vajag cīnīties, aktivizējot speciālus gēnus.

Tādā veidā, trīs stresa faktori seko viens otram noteiktā secībā: sākumā siltuma šoks, pēc tam pārāk liels daudzums spirta un, visbeidzot, oksidatīvais stress. Katru nākamo stresu var "paredzēt", balstoties uz iepriekšējiem. Vai raugs ir iemācījies izmantot šo informāciju? Eksperimentu sērija, ko veica autori, ļāva uz šo jautājumu atbildēt apstiprinoši. Katrā eksperimentā raugs secīgi tika pakļauts divu dažādu stresa faktoru iedarbībai. Autori sprieda šādi: ja raugam, tāpat kā zarnu nūjiņai, ir attīstījusies asimetriskā apsteidzošā reaģēšana, tad "agrākajiem" stresa faktoriem (siltuma šokam un spirtam) jāpalīdz raugam laicīgi sagatavoties "vēlākajam" oksidatīvajam stresam. Pretējam efektam nevajadzētu tikt novērotam vai arī tam jābūt daudz vājākam.

Šīs prognozes pilnībā apstiprinājās. Raugs, kas pārdzīvoja oksidatīvo stresu, no tā nekļuva izturīgāks pret sildīšanu un indēšanu ar spirtu. Bet raugs, kas pārdzīvoja siltuma šoku vai atrašanos vidē ar pārlieku spirta daudzumu, daudzas reizes labāk izturēja oksidatīvo stresu salīdzinājumā ar "naivo", nesagatavoto raugu.

Tādā veidā tika parādīta rauga apsteidzošās reaģēšanas adaptivitāte un asimetriskums. Autori tāpat parādīja, ka citi stresa faktori - piemēram, osmotiskais šoks, augsta vara vai etiķskābes koncentrācija - nepalielina izturību pret oksidatīvo stresu. Ar to tika apstiprināts reakcijas specifiskums.

Pēc tam autori centās noskaidrot, kādi gēni piedalās rauga sagatavošanā oksidatīvajam stresam atbildē uz siltuma šoku. Šim nolūkam viņi izmērīja visu gēnu aktivitāti (ekspresiju) raugam, kuru vispirms pakļāva uzsildīšanai, bet pēc tam oksidatīvajam stresam. Salīdzināšanai izmantoja raugu, kuru sākumā pakļāva osmotiskajam, bet pēc tam oksidatīvajam stresam. Osmotiskais stress, atšķirībā no siltuma šoka, raugam "preventīvu" aizsargreakciju neizraisa. Rezultātā izdevās noteikt apmēram 300 gēnus, kas nepieciešami aizsardzībai no oksidatīvā stresa un kas ieslēdzas "jau iepriekš" no siltuma šoka, nevis no osmotiskā stresa. Tagad vajadzēja pierādīt, ka šie gēni nav vajadzīgi aizsardzībai no siltuma šoka un ka to aktivizēšanās no siltuma šoka rezultātā ir preventīva - tā ir gatavošanās oksidatīvajam stresam, kas tiek gaidīts nākotnē, taču vēl nav sācies. Tādam nolūkam autori izmantoja 29 rauga celmus, no kuriem katram likvidēja vienu no tiem 300 gēniem, kas bija noteikti iepriekšējā izpētes etapā.

Izrādījās, ka 65% celmu atšķiras ar pazeminātu izturību pret oksidatīvo stresu. Taču siltuma šoku tie visi pārcieš ne sliktāk par kontroles "savvaļas" raugu. Attiecīgi, šie gēni patiešām ir vajadzīgi aizsardzībai no oksidatīvā stresa, taču nav vajadzīgi cīņai ar siltuma šoku. Šo gēnu aktivizācija siltuma šokā nevar būt nekas cits, kā vien apsteidzošā reaģēšana - gatavošanās oksidatīvajam stresam. Turklāt siltuma šoku raugs uztver kā signālu par to, ka drīz tam nāksies elpot un ir laiks gatavoties cīņai ar brīvajiem radikāļiem.

Tādējādi to, ka mikrobiem ir spēja uz asimetrisku apsteidzošu reaģēšanu, var uzskatīt par pierādītu. Pie noteiktas apkārtējās vides paredzamības pakāpes gēnu regulācijas tīklu evolūcija var novest pie rezultātiem, kas ļoti līdzīgi nosacījuma refleksu izstrādei dzīvniekos, kad viens notikums tiek interpretēts kā cita priekštecis. Pagaidām paliek atklāts jautājums par to, cik plaši šāda "evolucionārā apmācība" ir izplatīta dabā.

Aleksandrs Markovs

Ilmāra Cīruļa tulkojums

Avots:

Amir Mitchell, Gal H. Romano, Bella Groisman, Avihu Yona, Erez Dekel, Martin Kupiec, Orna Dahan, Yitzhak Pilpel. Adaptive prediction of environmental changes by microorganisms // Nature. Advance online publication 17 June 2009. Doi:10.1038/nature08112.

Skatīt arī par savdabīgu rauga "atmiņu":
Zacharioudakis et al., 2007. A Yeast Catabolic Enzyme Controls Transcriptional Memory (PDF, 640 KB).

Raksts pārpublicēts no elementy.ru

Brīvpieejas materiāls. Pārpublicēt atļauts tikai ievērojot ŠOS NOTEIKUMUS.