Diese Entdeckung stellt die klassische Sichtweise in Frage, wonach ihr Verhalten ausschließlich von den gegenwärtigen Bedingungen abhängt, und eröffnet neue Perspektiven darauf, wie wir Infektionen angehen sollten.
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In einem Experiment konnten die Forscher einzelne Bakterien verfolgen. Durch schnellen Wechsel zwischen nährstoffreichen und nährstoffarmen Bedingungen maßen sie das Wachstum jeder Bakterie in Echtzeit. Die Ergebnisse zeigen, dass nicht alle Bakterien gleich reagieren: Diejenigen, die häufigen Veränderungen ausgesetzt waren, passten sich schneller an als solche, die in einer stabilen Umgebung aufgewachsen waren.
Das Schlüsselelement dieser Anpassung liegt im Gedächtnis für Umweltfrequenzen. Die Bakterien unterscheiden zwischen schnellen oder langsamen Nährstoffzyklen – ein höheres Maß an Erinnerung als bisher nachgewiesen. Für Josiah Kratz, Erstautor der Studie, bedeutet dies, dass Bakterien zwischen verschiedenen Frequenzen unterscheiden und ihr Verhalten basierend auf ihrer Geschichte anpassen können.
Die Weitergabe dieser Erinnerungen erfolgt über Bakteriengenerationen hinweg. Bei E. coli dauert eine Generation zwischen 30 Minuten und einer Stunde. Proteine, die bei Stress wie Nährstoffmangel produziert werden, werden von den Nachkommen bis zu zwei Generationen lang vererbt. So kann sich eine Bakterie, die selbst nie Hunger erlebt hat, anders verhalten, wenn ihre Großmutter diesem Stress ausgesetzt war. Die vererbten Moleküle ermöglichen es den Nachkommen, Informationen über Umgebungen zu speichern, die sie nicht direkt erlebt haben.
Fangwei Si ist Teil des Forscherteams, das entdeckt hat, dass Bakterien aus vergangenen Erfahrungen lernen können.
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Die Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit sind beträchtlich. Bisher ging man davon aus, dass die Reaktion von Bakterien auf Antibiotika ausschließlich von der Art und Konzentration des Medikaments abhängt. Wenn Bakterien jedoch die Erinnerung an früheren Stress – wie hohe Temperaturen oder Antibiotikadosen – behalten, könnte ihre Reaktion auf eine Behandlung anders ausfallen. Kliniker müssen möglicherweise die Umweltgeschichte der Mikroben berücksichtigen, um Therapien zu optimieren.
Ein weiterer überraschender Aspekt dieser Forschung ist die Verbindung zur künstlichen Intelligenz. Bei der Entwicklung eines mathematischen Modells der zellulären Prozesse entdeckten die Forscher, dass die Art und Weise, wie die Bakterie Informationen verarbeitet, einer in der maschinellen Lernens verwendeten Architektur entspricht. Josiah Kratz gibt an, dass Biologie und KI offenbar auf eine ähnliche Strategie hinauslaufen. Dies lässt darauf schließen, dass Lernen aus einfachen chemischen Reaktionen innerhalb einer einzelnen Zelle entstehen kann, ohne Nervensystem.
Zukünftige Arbeiten sollen untersuchen, ob sich dieses Verhalten auf andere Stressfaktoren wie Antibiotika und auf andere Bakterienarten erstreckt. Die Forscher glauben, dass dieses Phänomen in der mikrobiellen Welt wahrscheinlich weit verbreitet ist. Das Verständnis, wie Bakterien sich an die ständigen Schwankungen ihrer Umgebung anpassen – sei es im menschlichen Darm, im Boden oder in Pflanzen – ist wichtig, um die Mechanismen des Lebens im mikroskopischen Maßstab zu entschlüsseln.