Není to tak dávno, co jsme psali o tom, že fotosyntetické bakterie dodržují denní režim a že tak činí dokonce bez ohledu na to, zda dostávají stimuly z vnějšího světa. Svůj cirkadiální rytmus dodržují i po dělení buněk. To znamená, že nastavení hodin předávají na potomstvo - je tedy dědičné.

K dalšímu překvapení došlo, když francouzští výzkumníci zjišťovali, jak to s nastavením bakteriálních hodin je při vzájemném kontaktu. K tomu si vypěstovali dvě kolonie posunuté v čase o tři hodiny a pak je smíchali. Buňky z obou kolonií chránily svoje nastavení hodin a k synchronizaci mezi nimi nedošlo ani tehdy, když byly na sebe úmyslně natlačeny tak, aby se vzájemně dotýkaly. Taková tvrdohlavost v nastavení časomíry není u vyvinutějších jednobuněčných organismů známa. I buňky nás savců se chovají kolegiálněji a teprve až se od sebe odloučí, začne být jejich denní oscilace „lajdácká“. Ve srovnání s vyššími organismy chodí bakteriální hodiny „jako Rolexky“.

Zvětšit obrázek

Bakterie E. coli si dokáže vštípit potravní návyky. Zapamatuje si, co po čem následuje a podle toho se s předstihem zařídí. (Kredit: Yitzhak Pilpel, Weizmann Institute of Science)

Nynější překvapení z bakteriálního mikrosvěta přichází z Izraele, kde zjistili, že bakteriální buňky nejenže mají vlastní chronometr, ale že si dokážou cyklicky opakující se záležitosti zapamatovat a dokonce na ně s předstihem reagovat. Poznatek byl učiněn na E. coli - obyčejné bakterii, která většinou jen neškodně prochází zažívacím traktem. Na počátku své pouti se tato bakterie pravidelně setkává s jedním typem cukru – laktózou. V dalším oddílu jí bývá nabídnut jiný druh cukru – maltóza. 
Yitzhak Pilpel se svým týmem molekulárních genetiků zjišťoval, jak bakterie reaguje na setkání s laktózou a sledovali aktivitu bakteriálních genů, které jí dovolují zmíněný cukr štěpit. Kontakt s laktózou neznamenal pro bakterii jen aktivaci genů pro mléčný cukr, ale též se u ní částečně aktivovaly  geny zajišťující zpracování maltózy. Jakoby si bakterie uvědomila, co bude po setkání s laktózou následovat.

Zvětšit obrázek

Kolektiv spolupracovníků Yitzhaka Pilpela z Weizmann Institute of Science se učí skákat.

Vědci udělali bakterii zlomyslnost – sled nabízených cukrů jí otočili. V populárních článcích se píše, že bakterie z toho byla pomatená. To je ale hloupost. Naopak! Zareagovala logicky a zcela správně - neměla důvod předpokládat, že chod dějin, kdy celé věky se jí po laktózovém předkrmu podával hlavní chod s maltózou, se najednou vše otočí a půjde v protisměru. S nabízenou maltózou své, geny pro laktózu nechala bakterie proto v klidu odpočívat.    

Vědce začalo zajímat, zda i vývojově nižší organismy dokážou reagovat na cyklické změny. Vyzkoušeli si to u vinných kvasinek. S postupujícím kvašením klesá v roztoku obsah cukrů a stoupá jeho kyselost a teplota. Kvasinky si postupně aktivují geny, kterými se brání, aby u nich nedošlo ke stresu z nepříznivě se vyvíjejících se okolností. Především jde o změny připravující kvasinku na schopnost odolávat vyšší teplotě. V kvasince jsou tyto změny evolučně zakomponovány. To znamená, že i tento organismus je schopen na cyklické děje reagovat s předstihem.

Vypozorovat změnu prostředí a s předstihem na ní reagovat dokáže i mnohem menší kvasinka.

První pokusy demonstrující adaptaci organismů na vnější podmínky provedl ruský vědec Ivan Pavlov (1890). Šlo o známý pokus se slintajícími psy. Navyknul je předvídat událost tím, že jim k žrádlu zvonil. Po určité době stačilo jen zazvonit a psi poznali, co bude následovat - vypěstoval jim podmíněný reflex. Nyní se ukázalo, že něco podobného lze navodit dokonce i u mikroorganismů.  Po řadě opakujících se dějů i ony přizpůsobí  své konání tak, aby co nejlépe obstály v konkurenci. Výsledky pokusů izraelského týmu nelze vysvětlovat tím, že se jedná o následnou reakci na stres. Aktivita genů se projevuje s předstihem, takže skutečně jde o předvídání situace a o reakce, které dojdou uplatnění až v nadcházejícím čase.  

  
Aby se vědci přesvědčili, jak rychle mikroorganismy zapomínají, vymysleli ještě jeden test. Také u něj se jedná vlastně jen o obdobu jednoho z Pavlovových pokusů na psech. Když Pavlov psům po zvonění zvonečkem přestal žrádlo předkládat, časem si jeho psi odvykli spojovat zvuk s žrádlem a slintat na zvonění přestali. V pokusu s bakteriemi šlo o to, že jim začali vědci maltózu odpírat. Bakterie se zachovaly stejně jako psi. Po několika měsících, kdy po laktóze maltóza nepřicházela, aktivace genů ustala. Geny „na maltózu“ se u odvyknutých bakterií spolu s podáním laktózy již neprobouzely, zůstaly ale zcela funkční. Pouze si je bakterie nespouštěly s předstihem a čekaly s jejich zapínáním až do doby, kdy se maltóza v prostředí skutečně objevila. Tento pokus také ukázal, že startovat geny s předstihem je pro buňku drahá záležitost a že pokud pro ně nemá využití, je takový luxus třeba brzo opustit.

Nyní vědci zdokonalují model „cena/výhoda“ který definuje podmínky, za jakých se mikroorganismům vyplatí reagovat předem a kdy je předvídání vhodné do genetického rozhodovacího procesu zahrnout. Pilpel je přesvědčen, že podobné geneticky podmíněné reakce jsou široce rozšířené a že se jedná o evolucí dané adaptace, jež zvyšují šance na přežití mnoha organismům. Podle něj jde o něco, co využívají buňky i vyšších organismů, včetně člověka.
Izraelský tým má již v plánu svoje poznatky zužitkovat v tvorbě geneticky modifikovaných organismů fermentujících biologický materiál na biopaliva. Předpřipravené organismy s nastaveným sledem událostí a reagující s předstihem, by zákonitě měly být výkonnější a pro ekonomiku biotechnologických výroben zdrojem bezpracných zisků.  

Pramen: Weizmann Institute of Science