細(xì)菌作為多樣化，復(fù)雜的感知實(shí)體的想法，可以捕獲獵物的包裝，記住過去的經(jīng)驗，并與他們的人類主機(jī)的情緒和感知互動聽起來像一些低預(yù)算科幻電影的情節(jié)。但這些正是科學(xué)家們將其歸結(jié)為“細(xì)菌認(rèn)知”的一些特征，它將微觀生物視為信息處理系統(tǒng)。

美國能源部(DOE)阿貢國家實(shí)驗室和伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校的研究人員正在尋找新的計算方法來描述細(xì)菌認(rèn)知，這一概念出現(xiàn)在20世紀(jì)40年代。這些方法使科學(xué)家能夠定量測量細(xì)菌如何收集信息，存儲信息并使用它與環(huán)境進(jìn)行交互。

“如果我們能夠以與描述互聯(lián)網(wǎng)或密碼學(xué)或手機(jī)網(wǎng)絡(luò)相同的方式描述這些系統(tǒng)中的信息，那么我們就可以使用之前未考慮用于生物學(xué)的工具來回答我們以前無法解決的問題，”Peter Larsen說。 ，Argonne生物科學(xué)部門的計算生物學(xué)家。Larsen和他的合著者最近在美國微生物學(xué)會期刊mSystems上報告了他們的發(fā)現(xiàn)。

這項工作提供了新的見解，可用于設(shè)計外來的細(xì)菌菌株用于生物制造。美國的生物經(jīng)濟(jì)每年的估值估計為2500億美元。阿貢科學(xué)家打算將他們的發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為綜合信息模型，該模型可用于計算預(yù)測哪種營養(yǎng)素組合可以最佳地誘導(dǎo)工業(yè)興趣的代謝途徑。

拉森說：“設(shè)計一種細(xì)菌來完成一項功能很困難 - 他們是個小家伙。”“你做出了改變，然后就會出現(xiàn)這種巨大的后果，你無法在標(biāo)準(zhǔn)還原模型中容納這種后果。”

簡化模型從基本部分的角度來看復(fù)雜現(xiàn)象，將細(xì)菌視為尋求與環(huán)境達(dá)到動態(tài)平衡的化學(xué)反應(yīng)集合。

“坦白地說，這種描述并沒有描述細(xì)菌所做的大部分真正有趣的事情，”拉森說。他們探索周圍環(huán)境，互相交流，與其他細(xì)菌群落互動，改變環(huán)境。為了理解他們?nèi)绾巫鲞@些事情，“我們必須看看他們的信息處理能力，”他說。

研究人員專注于熒光假單胞菌(Pseudomonas fluorescens)，這是一種定植根系的土壤細(xì)菌，可保護(hù)植物免受各種營養(yǎng)脅迫和病原體的侵害。以前的阿貢實(shí)驗表明，即使是密切相關(guān)的假單胞菌種，當(dāng)引入營養(yǎng)缺乏時，也會以截然不同的方式影響植物。細(xì)菌可以改變植物組織中應(yīng)激激素的濃度，葉片中葉綠素的量以及植物在地上和地下產(chǎn)生的生物量。

雖然這項新研究僅涉及熒光假單胞菌，但這種方法是通用的，可以應(yīng)用于任何細(xì)菌，Argonne生物科學(xué)部門主任，mSystems論文的共同作者Philippe Noirot說。

“熒光假單胞菌信息模型可能可用于優(yōu)化生物燃料的植物原料的可持續(xù)生產(chǎn)。在另一個例子中，工業(yè)用品Pseudomonas putida的信息模型可用于優(yōu)化可再生資源的生物塑料生產(chǎn)，”Noirot說。

研究人員通過將熒光假單胞菌的實(shí)驗室菌落暴露于各種硫營養(yǎng)素來測試他們的方法。在給定的自然環(huán)境中可能存在數(shù)百種不同種類的硫化合物。

“如果你是一種細(xì)菌，你就沒有機(jī)器為你遇到的每種可能化合物配備一個傳感器，”拉森說。相反，細(xì)菌需要收集和整合各種復(fù)雜數(shù)據(jù)，使他們能夠使用最少數(shù)量的傳感器設(shè)計適當(dāng)?shù)拇x響應(yīng)。

研究人員建立了一個基于發(fā)射器 - 通道 - 接收器模型的信息處理網(wǎng)絡(luò)，該模型與細(xì)菌細(xì)胞如何感知和響應(yīng)其環(huán)境密切相關(guān)。該模型預(yù)測了暴露于模型構(gòu)造中任何位置未使用的化合物所導(dǎo)致的行為。研究表明，細(xì)菌暴露的不同營養(yǎng)成分導(dǎo)致菌落間的差異表達(dá)基因不同，從而產(chǎn)生不同的生長速度和種類。

新研究使用少量營養(yǎng)素來確定該方法的有效性。“一個誘人的下一步可能是，例如，測量暴露于大量營養(yǎng)物的細(xì)胞的反應(yīng)，覆蓋更大的化學(xué)多樣性，”Noirot說。“這些數(shù)據(jù)可用于建立一個全面的模型，為研究人員提供前所未有的細(xì)菌細(xì)胞如何處理復(fù)雜環(huán)境信息的理解。”

“通過量化信息的存儲和通信來模擬假單胞菌硫調(diào)節(jié)素”發(fā)表在mSystems雜志上。