파블로프(Pavlov)의 조건 반사 실험에서 개가 종소리를 듣고 침을 흘린 실험을 한 지, 1세기가 지났다. 연구자들은 박테리아 같은 단세포 생물을 같은 방법으로 반복적인 행동을 “훈련”시킬 수 있다고 주장한다. 신경세포(또는 뉴런)의 복잡한 네트워크를 사용하는 대신에, 박테리아가 분자 회로를 사용하여 서로 간의 자극을 결합함으로써 “학습”을 할 수 있다는 것이다. 이 연구는 독일, 네덜란드, 영국에서 모인 연구자들이 다학제적 팀을 이루어 연구를 수행하고 있다.
이 연구를 통해 생물공학자들은 위험신호를 탐지하고 반응할 준비를 하는 인체의 파수병처럼 행동하는 박테리아들을 가지고 그것들에게 새로운 트릭을 가르칠 수 있다는 가능성을 제기했다. 이 연구는 Journal of the Royal Society Interface지의 10월호에 실렸다. 영국 국립 의학연구소의 Chrisantha Fernando가 만든 이론적 모델에 따르면, 단세포 생물이 동시에 달라붙어 자극을 서로 결합할 수 있다고 하며, 이 근거에 기초하여 연구가 수행되었다.
파블로프의 개와 연합 학습의 또 다른 예들에서 볼 수 있듯이, 박테리아가 많이 모일수록 박테리아는 2개의 자극 사이에서 더 강한 연합을 만들어내는 것을 학습한다. 캐나다의 신경심리학자 도날드 헵(Donald Hebb)은 1945년에 이 주장의 기초를 이루는 이론을 확립했다. 이것은 현재 헵(Hebbian)의 학습이라 불리고, 자주 "불처럼 동시에 타고, 철사처럼 함께 묶이는 뉴런(neurons that fire together, wire together)"과 같은 상황을 표현하는데 사용된다. 배고픈 개의 경우처럼, 음식냄새에 의해 작동되는 신경세포와 종소리에 의해 작동되는 신경세포가 물리적으로 연결되어 동시에 작동이 시작되는 것이다. 헵의 이론에 따르면, 2개의 자극이 동시에 많이 적용될수록, 그 자극들 간의 연결이나 시냅스 가중치는 더 커진다는 것이다.
물론, 박테리아는 시냅스나 신경세포를 가지고 있지 않다. 하지만, 단세포 생물은 학습을 할 수 있다. 1970년대, Todd Hennessey는 단세포 생물인 짚신벌레를 실험실에서 훈련시킬 수 있다고 주장했다. 그는 짚신벌레들을 감전사시키면서, 사이렌과 상황을 결합시켰다. 사이렌과 전류의 동시 노출 실험에서 짚신벌레는 사이렌이 울리면 도망갔다. 실험 전 짚신벌레한테서는 볼 수 없는 행동이었다. 이 발견은 다시 완벽하게 재현할 수는 없었지만, 단세포 생명체가 연합 학습과 같은 학습을 할 수 있다는 흥미로운 가능성을 제기했다.
현재 Fernando 팀은 박테리아를 훈련시키는 방법에 대한 모델을 제안했다. Fernando는 디지털 전자회로처럼 서로 작동 스위치를 켰다 껐다 할 수 있는 단백질(전사 인자)을 만들 수 있는 여러 개의 유전자와 프로모터들로 구성된 세포 회로를 디자인했다. 연구자들의 이론적 회로는 3개의 허구(fictional) 유전자로 구성되어 있다. 이 유전자 중 A와 B는 각각 pA와 pB 단백질을 만들고, 전사인자 iA와 iB와 반응하여 세 번째 유전자 C를 작동시킨다.
단백질 pA, pB는 세포에 존속하고 일단 생기고 나면 장기간 지속되는 메모리로써 작용한다. 이 단백질들의 집결은 파블로프의 개 모델에서 시냅스 가중치와 같다. 여기서 iA와 iB는 냄새와 종의 효과를 나타낸다. 연구자들은 iA와 iB를 한 쌍으로 하여, 박테리아가 iA에 반응하기 전에 iB에 반응할 수 있도록 한다(즉 냄새를 맡기 전에 종소리를 듣고 침을 흘리는 현상과 같음). 이것은 박테리아가 iB에 반응하도록 훈련된 것이고 볼 수 있다고 Fernando가 말했다.
이 모델은 화학-유전 회로 같은 것이 만들어질 수 있고 대장균과 같은 박테리아에 이식할 수 있다는 가정 하에 있다. “이것은 이론 수준에서 가능하다. 따라서 나는 여기서 제안된 벡터를 만들기가 큰 문제라고 보지 않는다.”고 이 분야에 주요 연구자이자 Tel-Aviv 대학의 이론생물학자인 Jablonka가 말했다. 그녀는 단세포 생물 조건으로 연구한 논문을 이번 달에 출판한다.
Fernando는 박테리아에서 유도된 변화가 대장균 30분 수명 주기 동안 지속하는 것을 측정했다. 이것은 유전서의 변화 또는 “학습”을 만드는 것이다. 특히 의학적으로 응용될 때 훈련된 박테리아는 중요하다. “즉, 병이나 약물이 30분 이상 지속될 수 있을 것이다.”고 Jablonka는 주장했다.
트릭은 위험 인지와 결합한 몸의 화학적 과정을 깨닫게 하기 위해 박테리아를 훈련시키는 것이다. 약이 특정 조직에서만 활성화되지 않는다면, 박테리아 훈련은 약물 또는 암세포에 대한 부작용 또는 위험하게 작용할 수도 있다.
연구자들은 약물 전달을 위해 먼거리에서도 조절되는 박테리아를 만들기 위해 이미 유전공학 연구를 수행 중이다. 예를 들어, 2005년에, 국립 보건 연구소 팀은 HIV 항바이러스 치료물질을 전달할 수 있는 박테리아를 제안했다. 이런 종류의 박테리아가 효과적으로 훈련되는 것이 실현된다면, 이 분야에 새로운 차원의 혜택을 선사할 수도 있을 것이다.