Mikrober som bakterier är inte tillräckligt medvetna för att bilda minnen, men en grupp forskare i Texas utvecklade ett nytt sätt för dem att göra det på genetisk nivå.

Forskare rapporterar att de framgångsrikt har konstruerat mikrober för att rapportera om sina miljöer och bilda genetiska "minnen" av händelsen. Det är ett verktyg som kan hjälpa forskare att bättre förstå kemisk kretslopp på jorden och hur mikrober delar information som antibiotikaresistens med varandra, enligt forskarna.

"Vi hoppas att detta kommer att hjälpa till att främja samarbete mellan syntetiska biologer och mikrobiologer, sa Emily Fulk, en doktorand vid Rice University i Texas och som presenterade sitt förarbete vid 2017 American Geophysical Union Fall Meeting i New Orleans. "Jag är bara väldigt exalterad över att faktiskt börja tillämpa det här."

Fulk arbetar med jordbakterier, mikrober som har en viktig roll i att bryta ner döda organismer och "fixera" kväve från atmosfären till former som växter och djur kan använda. Många frågor förblir obesvarade om dessa bakterier, inklusive hur de reagerar på miljöförhållanden som torka eller överdriven gödningsmedel. Att besvara dessa frågor kräver långa perioder och konstant övervakning som är opraktisk med nuvarande metoder, så Fulk vände sig till syntetisk biologi.

Biologer har tidigare modifierat gener i en mikrobs plasmid, dess cirkulära kromosom av DNA, genom att infoga en specifik gen som aktiveras när den är i närvaro av en kemikalie av intresse. Den här vägen, mikroben producerar en signal som svar på en miljöstimulans.

Forskare som är intresserade av att upptäcka miljönitrater, molekyler som finns i gödningsmedel, till exempel, kunde infoga en nitratkänslig gen i mikrobens plasmid. Sedan, när mikroben känner av nitrater i sin omgivning, det aktiverar genen för att producera en signal eller "rapportera" till forskarna.

"Du kan tänka på det som en ljusströmbrytare och en glödlampa, där sensorn är som ljusströmbrytaren och signalerar glödlampan, " sa Fulk. "Du kan titta på glödlampan, eller producerad signal, och säg, 'OK, om vi ser att "ljuset lyser" vi vet att omkopplaren har utlösts.'"

Traditionellt, ljusanalogin var bokstavlig:mikrober designades för att lysa eller fluorescera när de upptäckte en specifik kemikalie. Men i jord, att se fluorescens visar sig vara utmanande. Istället, Fulk och hennes kollegor utvecklade mikrober som rapporterar genom att producera en gas.

Det lämnade fortfarande en enastående utmaning, fastän. För att producera en signal, mikrober måste vara vid liv, och eftersom de flesta mikrober lever bara i storleksordningen flera timmar, deras rapport är kortlivad.

Fulk löste problemet genom att ta genetiskt modifierade mikrober ett steg längre. Hon designade en mikrob som inte bara kunde producera en gas som svar på en kemisk signal utan också komma ihåg att den hade producerat gassignalen långt efter att den aktiverande kemikalien försvann och mikroben dog. Med andra ord, hon designade den för att ha ett minne.

"Att använda minne, vi kan nu säga, "Låt oss inkubera våra mikrober i en vecka, en månad, eller en säsong, ' och sedan i slutet av det titta på mikroberna och se vad de har sett under hela perioden snarare än bara vid en specifik tidpunkt, sa Fulk.

I en smart design, Fulk infogade något som aldrig gjorts förut:separata "light switch" sensor och "lightbulb" reportergener. I hennes upplägg, reportergenen måste modifieras innan den kan producera sin gassignal. Ljusomkopplargenen, aktiveras när mikroben äter socker arabinos, kodar för ett enzym som kan modifiera reportergenen. När ljusomkopplargenen är aktiverad, den modifierar och sätter på reportergenen, och mikroben producerar en gas.

Modifieringen av reportergenen kan inte vändas, dock, så mikroben behåller ett genetiskt "minne" av upptäckten. Forskare kan senare söka efter denna genetiska förändring kort efter att mikroben exponerats för kemikalien eller långt efter att mikroben dog.

"Jag blir imponerad av det här varje dag, ", sa Fulk. "Vi är verkligen glada över att vi har fått ihop muttrarna och bultarna."

Den nya forskningen förebådar vad Fulk förväntar sig kommer att bli en lång rad framtida tillämpningar. Att sätta in detektorer som är känsliga för miljörelevanta kemikalier kan svara på långvariga frågor för jord- och mikrobiella ekologer, Hon sa.

"Tanken är om vi kan göra detta till ett plug-and-play-system av legotyp, där du väljer din reporter, ditt minne, din önskade kemikalie att känna, och din mikrobiella värd, sedan kan den anpassas för att hjälpa dig att lösa alla frågor du vill, sa Fulk.

"Du kan ibland upptäcka odetekterbara material med dessa mikrober, sa Caroline Masiello, huvudutredaren för forskargruppen vid Rice University. Forskare kan använda metoden för att studera dåligt förstådda aspekter av svavelcykeln eller bakteriell metanproduktion, Hon sa. Men även om det är spännande, den direkta tillämpningen i miljön verkar osannolik.

Tills vidare, Fulk och hennes kollegor arbetar med miljöingenjörer för att studera hur antibiotikaresistens överförs mellan mikrober i avloppsreningsanläggningar och i markmiljöer. Genom att bygga en donatormikrob med en ljusbrytargen och en mottagarmikrob med glödlampsgenen, de kunde avgöra när generna samlas för att producera ett "minne". Och att veta det, i tur och ordning, kommer att hjälpa dem att identifiera mikrob-"spioner" som de kan använda i framtiden, sa Fulk.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av AGU Blogs (http://blogs.agu.org), en gemenskap av jord- och rymdvetenskapsbloggar, värd av American Geophysical Union. Läs originalberättelsen här.