Naukowcy postanowili sprawdzić, czy u bakterii wyewoluowały mechanizmy pozwalające na przygotowanie się do przyszłych zmian w środowisku.  Pałeczka okrężnicy zamieszkuje dwa środowiska – nasze wnętrze albo glebę oraz wodę. Kiedy wędruje przez nasz przewód pokarmowy, w otoczeniu zmienia się skład najczęściej występujących cukrów – najpierw jest to laktoza, a potem maltoza. Badaczy zaintrygowało więc, czy laktoza sygnalizuje bakteriom, że pora włączyć operony maltozowe. Okazało się, że rzeczywiście tak jest – laktoza powoduje włączenie genów operonu maltozowego, ale nie działa to w obie strony – operon laktozowy jest nieczuły na maltozę.

Kolejnym etapem było sprawdzenie, czy przynosi to bakteriom jakieś korzyści. I faktycznie, kiedy najpierw podhoduje się je trochę na laktozie, a potem doda do pożywki maltozy, rosną szybciej od tych, które umieści się od razu na pożywce z maltozą.  Takiego efektu nie daje wstępna hodowla w obecności innych cukrów – galaktozy ani sacharozy. Jednak należy jeszcze wykluczyć możliwość, że geny operonu maltozowego są włączane w obecności laktozy, bo są wtedy potrzebne. Gdyby okazało się, że rosnące na laktozie bakterie z włączonymi genami maltozowymi radzą sobie tak samo, albo wręcz gorzej od bakterii, które tych genów nie włączyły, byłby to mocny argument za tym, że jest to dostosowanie, które powstało ze względu na przyszłe korzyści. Produkcja niepotrzebnych białek kosztuje, więc taka rozrzutność nie powinna się utrzymać w toku ewolucji.

Naukowcy postanowili więc sprawdzić, czy jeśli „nauczy” się bakterie, że po laktozie nie przychodzi maltoza, przestaną włączać operon maltozowy w odpowiedzi na laktozę. Przebadali więc szczepy E. coli, które przez kilkaset pokoleń dostawały laktozę, ale nie dostawały maltozy. I w trzech różnych szczepach uzyskali ten sam, zgodny z przewidywaniami wynik – operony maltozowe przestały się włączać w odpowiedzi na laktozę. Dopiero podanie bakteriom maltozy powodowało, że zaczynały działać. Do tego podhodowanie na laktozie wcale nie powodowało, że bakterie rosły lepiej na maltozie. Tak więc naukowcom udało się tak pokierować ewolucją tych bakterii, że straciły one zdolność przygotowywania się do zmieniających się w powtarzalny sposób warunków panujących w ich naturalnym środowisku.

Potem badacze zajęli się drożdżami. Przyjrzeli się zmianom zachodzącym podczas fermentacji alkoholowej, np. przy produkcji wina. Zaczyna się ona w środowisku o niskim pH, następnie fermentacja i akumulacja etanolu powoduje wzrost temperatury, po czym wyczerpują się fermentowalne cukry (np. glukoza), a drożdże przechodzą na oddychanie tlenowe. Podczas oddychania tlenowego wytwarzają się wolne rodniki. Naukowcy postanowili więc sprawdzić, czy stresy, które występują na początku tego procesu, powodują, że drożdże przygotowują się do stresów z jego późniejszych faz, np. czy wcześniejsze podwyższenie temperatury albo zwiększenie stężenia etanolu poprawia przeżywalność drożdży w obecności tlenu. Okazało się, że rzeczywiście tak jest, i że nie działa to w drugą stronę – warunki tlenowe nie pomagają komórkom przetrwać wysokich temperatur ani dużych ilości etanolu. Inne czynniki stresowe – takie, które nie występują na początku procesu fermentacji alkoholowej – też nie chronią drożdży przed stresem oksydacyjnym.

Potem naukowcy sprawdzili, jakie geny ulegają ekspresji podczas następujących po sobie podczas fermentacji stresów (wzrost temperatury i stres oksydacyjny), a jakie podczas dwóch kolejnych stresów, które nie występują po sobie podczas fermentacji (tu pierwszym stresem był stres osmotyczny) . Okazało się, że wzrost temperatury spowodował, że drożdże zaczęły produkować białka potrzebne w sytuacji stresu oksydacyjnego, natomiast stres osmotyczny nie wpływał na produkcję tych białek. Następnie badacze przyjrzeli się szczepom drożdży, z których każdy miał usunięty jeden z tych genów, i zaobserwowali, że 2/3 szczepów gorzej znosiły stres oksydacyjny, ale ze wzrostem temperatury radziły sobie tak samo dobrze, jak szczep dziki. Czyli włączanie tych genów nie ma nic wspólnego z ochroną przed temperaturą, a stanowi jedynie przygotowanie do kolejnej stresującej fazy fermentacji alkoholowej.

Wygląda na to, że w odpowiedzi na powtarzające się zmiany środowiskowe mikroorganizmy wyewoluowały mechanizmy, które pozwalają im na przygotowanie się do tych zmian, zanim jeszcze nastąpią.

red. Anna Stępień