Programování předpokládá zjednodušeně vložené instrukce do paměti a následné opakování nějakého procesu na základě této instrukce. Právě takového procesu dosáhli vědci, překvapivě při studiu bakterie Escherichia coli, běžného obyvatele našich střev. A proto tvrdí, že i tento nejjednodušší jednobuněčný organismus si dokáže „pamatovat“.

Tým vedený Yi Zhaem (I Čaem) a Thomasem Wytockem z Northwestern University v USA se zaměřil na složitou síť genů, které řídí chování této bakterie. Pomocí počítačových modelů zkoumali, co se stane, když krátkodobě vypnou nebo naopak zesílí aktivitu jednotlivých genů. U mnoha genů vedl i krátký zásah k trvalé změně v chování bakterie.

„Je to jako kdybyste na chvíli stiskli tlačítko a ono zůstalo zamáčknuté i poté, co jste pustili,“ vysvětlují autoři studie. „Tyto geny fungují jako jakési molekulární přepínače, které si pamatují, že byly aktivovány.“

Síť, která se sama udržuje

Jak je možné, že krátkodobá změna vede k trvalému efektu? Klíčem je složitá síť vzájemných interakcí mezi geny. Některé geny se navzájem aktivují nebo potlačují, a vytváří tak zpětnovazební smyčky. Když dojde k narušení této sítě, může se celý systém přepnout do nového stabilního stavu.

Vědci identifikovali 51 genů u E. coli, které vykazovaly toto „přepínací“ chování. Zajímavé je, že tyto geny často patřily do tzv. silně propojených komponent genetické sítě – oblastí, kde je mnoho genů navzájem propojeno.

„Je to jako když máte složitý elektrický obvod,“ vysvětlují vědci ve své studii.

Od teorie k praxi

Tento objev není jen zajímavostí pro teoretické biology. Má potenciálně významné praktické dopady. Například by mohl vysvětlit, jak se bakterie umějí rychle přizpůsobit novému prostředí.

„Představte si, že bakterie na chvíli vystavíme stresovému faktoru, třeba antibiotiku,“ upozorňuje studie. „I když antibiotikum odstraníme, bakterie si tuto zkušenost 'zapamatuje' a může zůstat v odolnějším stavu.“

Evoluce v reálném čase

Vědci šli ještě dál a porovnali své teoretické předpovědi s reálnými daty z experimentů, kde bakteriím vypnuli důležitý gen CRP (C-reaktivní protein) a nechali je po 10 dní se vyvíjet. Ukázalo se, že geny, které model předpovídal jako „přepínatelné“, skutečně měly tendenci měnit svou aktivitu během této krátké evoluce.

„Je fascinující vidět, jak teoretické předpovědi založené na počítačových modelech odpovídají skutečnému chování bakterií,“ poznamenávají autoři studie. „Ukazuje to, že i tak složitý systém, jako je živá buňka, můžeme do určité míry předpovídat a možná i řídit.“

Nový pohled na mikrosvět

Objev „paměti“ u bakterií nás nutí přehodnotit, jak vnímáme tyto jednoduché organismy. Ukazuje se, že i bez složitého nervového systému dokáží bakterie vykazovat komplexní chování a „učit se“ ze svých zkušeností.

„Dlouho jsme si mysleli, že genetická informace je něco statického, co se mění jen velmi pomalu během evoluce,“ uvádějí autoři studie. „Teď vidíme, že genomy jsou mnohem dynamičtější systémy, které se dokáží rychle přizpůsobovat a 'pamatovat si' změny.“

Mohli bychom v budoucnu programovat bakterie podobně, jako programujeme počítače? Dokážeme využít tuto vlastnost k vývoji nových léků nebo biotechnologií? Podobné otázky nyní čekají na zodpovězení.