细菌竟能向后代传递神奇“记忆”，咋做到的

细菌具有非凡的能力，能够“记住”自身及其周围环境的短暂、临时性变化，并且这些记忆具有遗传性。

有趣的是，尽管这些变化未在细菌细胞的遗传物质中进行编码，但细胞依然能够将这些变化的记忆传递给后代，且能持续多代。

这一发现对长期以来有关即使是最简单的生物体如何传递和遗传物理特征的假设提出了挑战，并且可能给医学应用带来重大影响。

例如，研究人员或许能够通过巧妙地改变病原菌，让其后代在几代之内更易于接受治疗，以此来对抗抗生素耐药性。

“细菌生物学的一个核心假设为，可遗传的物理特征主要由 DNA 决定。然而，从复杂系统的角度来讲，我们知晓信息也能够存储在基因之间的调节关系网络层面，”西北大学的科学家、资深作者阿迪尔森·莫特解释道。

据莫特所言，该团队想要探究细菌记忆是否并非通过 DNA，而是通过调节网络本身由亲代传递给子代。

“我们发现，基因调节的临时性变化能够在网络内留下持久性的变化，而后传递给后代，”莫特说道。

“换句话说，其父母所受变化产生的回响在调控网络中持续存在，而 DNA 保持不变。”

莫特是西北大学温伯格艺术与科学学院的查尔斯·E 和艾玛·H·莫里森物理学教授，同时也是网络动力学中心的主任，他与他实验室的博士后研究员托马斯·怀托克和研究生易昭共同撰写了这项研究。

这项研究是与德克萨斯大学西南医学中心的系统生物学家金伯利·雷诺兹合作进行的。

自 20 世纪 50 年代确定遗传密码的分子基础以来，科学家们普遍认为，特征主要（即便不是完全）通过 DNA 来传递。

然而，自 2001 年人类基因组计划完成以来，研究人员已经开始重新考虑这一假设。

怀托克指出，二战期间荷兰发生的饥荒是人类潜在非遗传遗传的一个著名实例。

最近的一项研究表明，在子宫内经历过饥荒的男性的子女成年后更有可能超重。然而，要确切找出人类这种非遗传遗传的原因已被证明是困难的。

“在复杂的生物体中，理清诸如幸存者偏差之类的混杂因素具有挑战性。但在最简单的单细胞生物中，我们可以控制环境并检查它们的遗传学，从而更有效地找出原因，”莫特解释道。

“如果在这种情况下我们观察到某些东西，我们可以将非遗传遗传的起源归因于有限的几种可能性，特别是基因调控的变化。”

基因调控网络类似于基因相互影响所使用的通信网络。研究团队假设，仅这个网络可能是将特征传递给后代的关键。

为了验证这一假设，莫特和他的团队研究了大肠杆菌（E. coli），这是一种常见的细菌，也是一种成熟的模式生物。

“在大肠杆菌中，整个生物体是一个单细胞，”怀托克解释道。“它的基因比人类细胞少得多，大约有 4000 个，而人类细胞有 20000 个。它也缺乏在酵母中有助于 DNA 组织的细胞内结构以及高等生物中的各种细胞类型。因为大肠杆菌研究得很透彻，所以我们对其基因调控网络的组织有很多了解。”

研究团队借助调控网络的数学模型，对大肠杆菌中单个基因的暂时失活与重新激活进行了模拟。

这些短暂的干扰可能导致持久的变化，且这种变化极有可能遗传多代。

目前，该团队正着力通过实验室实验来验证这些模拟结果。实验采用了一种CRISPR的变体，此变体能暂时使基因失活，而非永久性改变它们。

研究人员对这些在调控网络而非 DNA 中编码的变化如何能在代际间传递表示质疑。

当一个基因失活时，它会影响网络里的相邻基因。当第一个基因重新激活时，一个自我维持的级联反应就已经开始了，一旦被激活，便会形成能抵御外部影响的回路。

“这是一种网络现象，”复杂系统动态行为专家莫特说。“基因相互作用。如果你扰动一个基因，它就会影响其他基因。”

尽管当下的实验重点在于使基因失活，不过莫特指出，其他类型的扰动或许会产生类似的效果。

“我们还可以改变细胞的环境，”他说。“例如，可能是温度、营养物质的可用性或 pH 值水平。”

该研究表明，其他生物也可能具有非遗传的遗传性。

“在生物学中，假设任何东西都是普遍的都是危险的，”莫特警告说。“但是，凭直觉来讲，我预计这种效应是常见的，因为大肠杆菌的调节网络和其他生物中的相比，要么类似，要么更简单。”

该研究发表在《科学进展》杂志上。