バクテリアは安定した記憶を持っています

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バクテリアは安定した記憶を持っています
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Anonim
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青色光を照射すると、バクテリアのカチオンチャネルが開き、膜電位が変化します。この効果は安定しており、バイオフィルム上の他の細菌の電荷や培地中のイオン濃度が定期的に変化しても、数時間持続します。細菌の記憶はニューロンの特性に似ているため、生体システムを使用した計算に使用できます。この記事はCellSystems誌に掲載されました。

多くの研究(1、2、3)で、科学者は、動物のニューロンのように、細菌では活動電位が形成されることをすでに示しています-膜電荷のジャンプ。興味深いことに、活動電位が細胞内で一度発生すると、再び発生する可能性が高くなります。この特性は、ニューロンの感作メカニズムに似ています-細胞記憶の最も単純な例です。バイオフィルム内の個々の細菌と細菌群集全体が、イベントに関する信号を相互に送信するだけでなく、それらの記憶を保存することもできる可能性があります。

カリフォルニア大学サンディエゴ校のGürolSüel率いる科学者は、枯草菌のバイオフィルムを青色光で照らし、陽イオンチャネルを通るイオンの流れを誘導しました。膜分極は、膜電位のマーカーである蛍光チオフラビンTの発光によって評価されました。

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バクテリアのバイオフィルムの一部が照らされ、過分極し、チオフラビンTが光り始めます

カリウム塩とナトリウム塩を培地に添加して、青色光に応答した過分極が陽イオンチャネルを通るイオンフラックスによるものであることを確認しました。したがって、これらのイオンの自然な化学勾配に違反しました。セルの外側では、それらの濃度は内側よりも高くなりました。さらに、科学者たちは干し草の棒の単一カリウムチャネルの遺伝子を削除しました。

青色光は正常な細菌の過分極を引き起こしましたが、細胞外カリウム濃度が増加した場合、またはカリウムチャネルが遮断された場合、これは起こりませんでした。これは、細胞からのカリウムイオンの放出により膜の過分極が起こることを意味します。

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培地中のカリウム濃度が増加した場合(左)またはカリウムチャネルが遮断された場合(右)、細菌は照射後に過分極を停止しました。細胞外ナトリウム濃度の変化はこの影響を及ぼしませんでした

この研究の著者は、細菌細胞の膜電位の変化を説明する数学的モデル(ホジキン-ハクスレイ活動電位モデルに基づく)を構築しました。膜電位は陽イオンチャネルを通るカリウムフラックスに依存し、青色光はこれらのタンパク質のいくつかの一定の透過性を引き起こしました。理論的構成によれば、青色光に応答する過分極は、時間の経過とともに安定しているはずです。

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細菌の膜電位の数学的モデル。左側は照射後の膜電位の理論的変化、右側は実験的変化です。

実験により、照射後数時間の過分極の持続が確認された。この特性は、細胞外カリウム濃度が変化する条件下で、大きなバイオフィルムでもテストされました。培地に十分なグルタミン酸がない場合、カリウムチャネルの開閉が交互に起こるため、バイオフィルム内の細菌の膜電位が変動し始めます。このようにして、バクテリアのコロニーは空腹感を伝え、緩和します。科学者たちは、大学のロゴを刻印することで、特定の場所でそのようなバイオフィルムを照らしています。

膜電位の変動は、チオフラビンTの蛍光の一時的な増加に反映されました。青色光で照らされた領域では、膜電荷も変動しましたが、コロニーの残りの部分と逆位相でした。バイオフィルムが蛍光を発し始めたとき、照らされた部分は暗いままであり、逆もまた同様です。その結果、大学のロゴはいつでも対照的に際立っていました。

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バイオフィルムはさまざまな時間に光ります

バイオフィルムの照らされた部分と照らされていない部分の膜電位の対照的な変化を説明するために、科学者たちは数学的モデルに目を向けました。同様の効果は、細胞外カリウム濃度の周期的な変化で発生しました。青色光で照らされた細菌では、陽イオンチャネルは常に開いており、膜電位は受動的に変動しました。培地にカリウムが多く含まれていると、細胞に入り脱分極します。逆もまた同様です。残りの細胞は、細胞外カリウム濃度が増加すると、カリウムチャネルを調節し、過分極する可能性があります。

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細胞外カリウム濃度の周期的な増加を伴う青色に照らされた(黄色)または照らされなかった(黒)細菌の膜電位のモデル(グラフの灰色のセクション)

モデルの予測は実験によってチェックされました。バイオフィルムの一部が照らされ、カリウム濃度が定期的に変更されました。生きているバクテリアは理論上のバクテリアと同じように振る舞い、コロニーの一部は前の実験と同じように逆位相で輝きました。

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細胞外カリウム濃度の周期的な増加に伴って青を照らした(黄色)または照らさなかった(黒)細菌の膜電位(グラフの灰色のセクション)

実験では、細菌のカチオンチャネルの状態を人為的に変更しましたが、自然条件下では、コロニーの個々の細胞の膜電位が異なる場合があります。これは、この研究で観察された記憶(膜電荷の安定した変化)が自然の細菌系にも存在する可能性があることを意味します。ニューロンにも同様の特性があります。神経細胞で発生するイベントは、イオンチャネルの状態と膜電位を長期間変化させる可能性があります。活動電位メカニズムには深い進化のルーツがあり、細菌の特性は複雑な神経プロセスの遠い前駆体である可能性があります。

バクテリアの膜電位の発見された特性は、実際には、例えば、生物学的システムを使用した計算に適用することができます。細菌コロニーの一部の照明は、情報をエンコードする方法として使用できます。

生体膜の活動電位の変化は、複雑な数学的モデルによって記述されます。それらは微分方程式のシステムに基づいており、科学の別の分野である計算論的神経生物学がそれらの構築を扱っています。数式が私たちの資料「神経電圧」の神経プロセスを説明するのにどのように役立つかについて読んでください。

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