Новое достижение в дрессировке бактерий
Спустя сто лет после того, как у собаки Павлова впервые началось слюноотделение при звуке звонка, ученые утверждают, что аналогичным образом можно «выдрессировать» и одноклеточные организмы, например, бактерии. Отличие заключается в том, что для «запоминания» ассоциаций двух стимулов вместо сложных комплексов нейронов бактерии будут использовать молекулярные механизмы.
В 1945 году канадский нейрофизиолог Дональд Хебб (Donald Hebb) объяснил феномен условного рефлекса и другие варианты ассоциативного обучения тем, что между одновременно генерирующими сигналы нейронами формируется физическая взаимосвязь, усиливающаяся при повторной одновременной активации клеток. В результате при воздействии одного из сигналов нейроны обоих типов начинают генерировать нервные импульсы, причем ассоциации между двумя стимулами становятся тем прочнее, чем чаще они воздействуют одновременно.
У бактерий и других одноклеточных организмов нет нервных клеток и синапсов, однако существует возможность того, что они тоже способны к обучению. В 70-х годах Тодд Хеннесси (Todd Hennessey) экспериментировал с одноклеточными обитателями прудов – инфузориями-туфельками. Он подвергал их действию электрического тока, сопровождающемуся звуком звонка. В результате инфузории начинали уплывать от источника звука даже в отсутствие электрошока. Другим исследователям не удалось воспроизвести эти результаты, и интригующая возможность обучения одноклеточных организмов остается неподтвержденной.
В статье, опубликованной в октябрьском номере Journal of the Royal Society Interface международная группа исследователей из Германии, Голландии и Великобритании предлагает метод «дрессировки» бактерий – но не с помощью выработки у них условных рефлексов, а с использованием генной инженерии. По словам руководителя исследования Кришанты Фернандо (Chrisantha Fernando), этот подход позволяет превращать бактерий в своего рода «часовых» организма, постоянно находящихся в состоянии готовности распознавать признаки опасности и реагировать на них.
Авторы разработали клеточный контур, состоящий из нескольких генов и их промоторов и продуцирующий белки (факторы транскрипции), активирующие и инактивирующие друг друга подобно реле в электрической цепи. Предлагаемый ими теоретический контур состоит из трех функциональных генов. Два из них – А и В – синтезируют белки pA и pB, реагирующие с другими факторами транскрипции – iA и iB – для того, чтобы активировать третий ген – С.
Продукты активности генов pA и pB будут сохраняться в клетке в течение длительного времени и выполнять роль своего рода памяти. Их концентрации эквивалентны количеству синапсов в модели собаки Павлова. Только при взаимодействии с этими молекулами iA и iB могут оказывать присущие им эффекты. Если исследователи спаривают iA и iB, бактерии начинают реагировать на iB, в то время как раньше они реагировали только на iA. Это означает, что бактерии «научились» реагировать на iB.
Специалисты в этой области считают предлагаемый подход концептуально сложным на первый взгляд, но вполне жизнеспособным при ближайшем рассмотрении.
В основе модели лежит допущение, что химико-генетическую цепь можно создать и имплантировать в бактерию, например, в кишечную палочку. По оценкам авторов, индуцируемые в бактерии изменения могут сохраняться в течение 30-минутного жизненного цикла E.coli. Это сделает изменения наследуемыми, что особенно важно для применения «дрессированных» бактерий в медицине.
Авторы планируют «натренировать» бактерии на распознавание в организме химических процессов, ассоциированных с опасностью. Такой «живой индикатор» можно настроить таким образом, чтобы синтез сигнального белка начинался в ответ на появление в организме молекул, характерных для нежелательных эффектов лекарственных препаратов или указывающих на присутствие злокачественных опухолей.
Работа с генетически модифицированными, управляемыми извне бактериями ведется уже не первый год. Возможность создания биодатчиков из «дрессированных» бактерий с помощью генной инженерии должно породить новое направление работы в этой области исследований.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru/ по материалам Technology Rewiev – Teaching Bacteria to Behave
06.10.2008