让细菌发挥作用

细菌作为多样化，复杂的感知实体的想法，可以捕获猎物的包装，记住过去的经验，并与他们的人类主机的情绪和感知互动听起来像一些低预算科幻电影的情节。但这些正是科学家们将其归结为“细菌认知”的一些特征，它将微观生物视为信息处理系统。

美国能源部(DOE)阿贡国家实验室和伊利诺伊大学芝加哥分校的研究人员正在寻找新的计算方法来描述细菌认知，这一概念出现在20世纪40年代。这些方法使科学家能够定量测量细菌如何收集信息，存储信息并使用它与环境进行交互。

“如果我们能够以与描述互联网或密码学或手机网络相同的方式描述这些系统中的信息，那么我们就可以使用之前未考虑用于生物学的工具来回答我们以前无法解决的问题，”Peter Larsen说。 ，Argonne生物科学部门的计算生物学家。Larsen和他的合着者最近在美国微生物学会期刊mSystems上报告了他们的发现。

这项工作提供了新的见解，可用于设计外来的细菌菌株用于生物制造。美国的生物经济每年的估值估计为2500亿美元。阿贡科学家打算将他们的发现转化为综合信息模型，该模型可用于计算预测哪种营养素组合可以最佳地诱导工业兴趣的代谢途径。

拉森说：“设计一种细菌来完成一项功能很困难 - 他们是个小家伙。”“你做出了改变，然后就会出现这种巨大的后果，你无法在标准还原模型中容纳这种后果。”

简化模型从基本部分的角度来看复杂现象，将细菌视为寻求与环境达到动态平衡的化学反应集合。

“坦白地说，这种描述并没有描述细菌所做的大部分真正有趣的事情，”拉森说。他们探索周围环境，互相交流，与其他细菌群落互动，改变环境。为了理解他们如何做这些事情，“我们必须看看他们的信息处理能力，”他说。

研究人员专注于荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens)，这是一种定植根系的土壤细菌，可保护植物免受各种营养胁迫和病原体的侵害。以前的阿贡实验表明，即使是密切相关的假单胞菌种，当引入营养缺乏时，也会以截然不同的方式影响植物。细菌可以改变植物组织中应激激素的浓度，叶片中叶绿素的量以及植物在地上和地下产生的生物量。

虽然这项新研究仅涉及荧光假单胞菌，但这种方法是通用的，可以应用于任何细菌，Argonne生物科学部门主任，mSystems论文的共同作者Philippe Noirot说。

“荧光假单胞菌信息模型可能可用于优化生物燃料的植物原料的可持续生产。在另一个例子中，工业用品Pseudomonas putida的信息模型可用于优化可再生资源的生物塑料生产，”Noirot说。

研究人员通过将荧光假单胞菌的实验室菌落暴露于各种硫营养素来测试他们的方法。在给定的自然环境中可能存在数百种不同种类的硫化合物。

“如果你是一种细菌，你就没有机器为你遇到的每种可能化合物配备一个传感器，”拉森说。相反，细菌需要收集和整合各种复杂数据，使他们能够使用最少数量的传感器设计适当的代谢响应。

研究人员建立了一个基于发射器 - 通道 - 接收器模型的信息处理网络，该模型与细菌细胞如何感知和响应其环境密切相关。该模型预测了暴露于模型构造中任何位置未使用的化合物所导致的行为。研究表明，细菌暴露的不同营养成分导致菌落间的差异表达基因不同，从而产生不同的生长速度和种类。

新研究使用少量营养素来确定该方法的有效性。“一个诱人的下一步可能是，例如，测量暴露于大量营养物的细胞的反应，覆盖更大的化学多样性，”Noirot说。“这些数据可用于建立一个全面的模型，为研究人员提供前所未有的细菌细胞如何处理复杂环境信息的理解。”

“通过量化信息的存储和通信来模拟假单胞菌硫调节素”发表在mSystems杂志上。