微生物没有大脑，但它们有记忆。诚然，它们不会回忆童年的生日派对，但微生物确实拥有一系列机制，使它们能够存储信息，并根据过去的经验调整自己的行为。如果我们窥探微生物的记忆，我们会看到什么?我们能否利用微生物的记忆来最终控制微生物本身?

为什么(微生物)记忆很重要

在人类的大脑中，记忆——过去信息的一小块——帮助人们驾驭当前的情况和环境。在电脑上打字，知道下班回家的路线，在一次糟糕的经历后选择不喝气味奇怪的牛奶……所有这些都根植于记忆。

但是记忆的行为并不仅仅是一种聪明的努力。它也发生在细胞水平上。“记忆只是信息的存储和检索。如果这是你可以使用的最简单的定义，那就意味着任何系统都可以有记忆，”苏维克·巴塔查里亚博士说，他是休斯顿uthehealth的助理教授，他的新实验室专注于微生物生态学。例如，适应性免疫细胞从先前接触病原体的经验中吸取教训，以便在下次遇到病原体时产生更快、更强的反应。

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微生物细胞，如细菌和酵母，同样表现出所谓的历史依赖行为形式，从而提高了它们的存活率。他们必须不断适应环境的变化。通过“记住”过去的变化(例如，切换到新的营养来源)，微生物和微生物种群可以改变它们的行为，并在重新暴露于某种条件时更快地适应，而不是完全没有暴露在这种条件下。

此外，由于微生物主要通过细胞分裂进行复制，“记忆也可以传递给下一代，”巴塔查里亚解释说。“所以这是微生物记忆不同于多细胞生物的附加特征。”

记忆反应的发展可以节省微生物的能量，因为它们利用先前的转录和代谢努力来响应周围环境的变化。在种群水平上，有一些细胞为特定的环境变化做好准备，使表型池多样化，以确保在可能非最佳条件下的最佳生存。

微生物是如何记忆的?

微生物记忆与认知记忆不同，认知记忆依赖于对刺激的集体激活、修改和再激活神经元群。刺激可能会改变，但大脑使用相同的基本途径来创造和回忆记忆。

在微生物中，记忆的机制基础因微生物和刺激而异，“记忆”本身指的是一系列行为，比如运动或生长动力学的变化，持续时间从几秒钟到几代不等。Bhattacharyya指出:“信息可以存储在代谢物、营养物质、蛋白质以及蛋白质或DNA的修饰中。”

表观遗传变化

在某些情况下，过去的经历被记录为基因表达的变化。例如，如果酿酒酵母从富含葡萄糖的环境中切换到浸泡在半乳糖中的环境中——半乳糖是一种不太受欢迎的糖，与葡萄糖相似，只是进行了一些分子调整——它们的半乳糖利用基因需要时间来启动。然而，这种开关引起表观遗传变化(即染色质结构的修饰)，确保这些基因在再次暴露于半乳糖时迅速重新激活。这种半乳糖记忆反应将持续7-8次细胞分裂。科学家们假设，表观遗传记忆允许微生物在不永久性地改变其生理机能的情况下应对当下，就像发生DNA突变时那样。

蛋白质的堆积

也有一些例子表明，记忆是由细胞在受到压力或刺激后形成的蛋白质组成的。这些蛋白质在最初的触发条件下释放出来，可以留在体内，为再次遇到触发条件做好准备。当细胞分裂(或经历表型转变，如产孢)时，它们的后代继承了剩余的蛋白质，因此，它们有能力应对它们“记得”但从未见过的压力。随着蛋白质的分解或自然分裂的稀释，记忆逐渐消失。

乐趣最终的记忆

营养物质为记忆提供了额外的素材。巴塔查里亚和他的同事最近发现，大肠杆菌中的一种记忆反应就属于这一类。他们发现，以前有过群集经历的大肠杆菌细胞(当细菌利用鞭毛作为一个群体在表面上迁移时)在遇到新的表面时，比那些过去没有群集经历的大肠杆菌细胞更有效地群集。他们是怎么做到的?

“它们基本上改变了细胞内的铁含量，”巴塔查里亚解释说。也就是说，蜂群的记忆是以细胞铁浓度的形式储存的。“因此，细胞内的铁含量越多，表面的运动性就越少，而铁含量越少，细胞就会移动得更多。”因为铁对于生存是必不可少的，低铁浓度可能会刺激细胞运动，寻找更多的营养物质。铁记忆及其相关的群体潜能是可遗传的——母细胞将其传递给子细胞长达4代。

巴塔查里亚强调，关于这一现象背后的机制，还有更多需要了解的。它似乎不像其他形式的微生物记忆那样具有特异性，它不仅能够存储与蜂群相关的信息，还能存储抗生素耐受性。因为营养物质对许多生物体都是至关重要的，所以不只是细菌，其他生命形式(如真核生物)中也可能存在铁记忆。巴塔查里亚说:“铁无处不在，所以这种记忆机制可能是存储信息的一种常见方式。”

值得注意的是，上面的例子只是微生物记忆方式的一小部分。新的记忆机制仍在不同的生物体中被发现。

利用微生物记忆

微生物的记忆能力不仅仅是在实验室里研究的东西;它可能对人类和环境健康产生重要影响。“假设你用抗生素治疗感染。然后，一些(细菌)种群可以记住它们曾经遇到过这种抗生素，并对它产生短暂的耐药性，”巴塔查里亚耸耸肩，露出“你猜结果”的表情。“之前的报告暗示了这一点，尽管不知道(细胞)是如何做到的，”他继续说。记忆反应可能发挥了作用——他的团队对铁记忆的研究指出了与抗生素耐受性的联系。记忆也促进宿主的有效适应，生物膜的形成和承受一系列压力的能力。

考虑到这一点，我们能否以实际的方式利用微生物的记忆呢?在许多情况下，合成记忆电路被编程到生物体中。这种编程可能涉及改变微生物的DNA或酶机制，以便在环境或宿主内的特定条件下产生可识别的变化。然后，科学家可以检测到这种变化，用于各种分析甚至诊断目的。

然而，微生物的自然记忆系统在很大程度上仍未被开发。

对于巴塔查里亚来说，瞄准微生物记忆首先需要更好地掌握它是如何工作的。微生物能遇到的环境和条件多得惊人。了解记忆是否以及如何在如此广阔的可能性中促进生存是研究的重点。此外，“在临床相关的细菌中，自然产生的记忆的更长形式尚未被证明，”他说。微生物在几个小时后的记忆能力令人印象深刻。但是那些生长缓慢的生物体呢?“分枝杆菌有1天的倍增时间。他们会有7天或8天的记忆吗?这将是非常有趣的。”

科学家了解的越多，所有这些问题最终变成记忆的可能性就越大。

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