A vizsgálat során Saeed Tavazoie biológiaprofesszor és két társa az E.Coli viselkedését tanulmányozta, és azt az amúgy régóta fennálló kérdést kívánta megválaszolni, hogy hogyan reagál az élőlény az oxigénszint és a hőmérséklet változásaira, amikor belép a gyomorba. A hagyományos válasz szerint aerob légzésről anaerob légzésre vált, miután érzékelte, milyen környezetbe is került - ám ha ez igaz, akkor a baktérium már nagy bajban lenne, mivel ez a reakció nem optimális, gyakorlatilag már túl későn hozza meg a döntést.

A kutatók szerint az E.Coli életciklusa során nemcsak az oxigénszint, hanem a hőmérséklet is változik, ez pedig olyan folyamatokat indíthat be, amely "felkészíti" az élőlényt az oxigénhiányra, a hőmérsékletszint emelkedése ugyanis ugyanazt a reakciót váltja ki, mint az oxigénszint csökkenése: a hőmérséklet emelkedésével az aerob légzéshez szükséges összes kén kikapcsolt. Tavazoie szerint mindez azt jelenti, hogy a baktérium "megtanulta" azt, hogy bizonyos hőmérsékleteket bizonyos oxigénszintekkel kell összekötnie.

Míg az összetettebb idegrendszerű élőlények egy élet alatt képesek ezt megtanulni, addig a bakteriális tanulás több generáción át tart, olyannyira, hogy evolúciós folyamatként tudunk róla beszélni. A kutatók ezen folyamat vizsgálatára egy Evolution in Variable Environment névre keresztelt virtuális ökoszisztémát hoztak létre. Ebben a számítógépes környezetben minden mikrobát egymással szoros kapcsolatban lévő gének és fehérjék hálózataként ábrázolnak és azt követik, hogy ezek a folyamatosan fejlődő populációk hogyan küzdenek a környezetben lévő limitált erőforrásokért. A modellben több száz gén, fehérje és egyéb biológiai tényező jellegzetességeit kellett megfigyelni, az egyetem szuperszámítógépeinek kapacitásával is 18 hónapnyi számítás kellett a kísérletek elvégzéséhez, nyilatkozta Ilias Tagkopoulos, a kísérletben résztvevő egyik kutató.

Az EVE virtuális modelljében a mikrobák úgy "spóroltak" energiájukkal, hogy összes táplálkozással kapcsolatos biológiai folyamatukat kikapcsolták, majd azt várták, hogy mikor jelenik meg valamilyen táplálék, aminek elfogyasztásához éppen időben "kapcsolhatják be" anyagcseréjüket. A kutatók a táplálék megjelenését többféle módon jelezték a táplálék megjelenését - ezen utalásoknak azonban a megfelelő mintában kellett megjelenniük. "Gyakorlatilag logikai feladványokat kellett megoldaniuk a baktériumoknak, így tudták "megjósolni" az etetési időket", mondta Tagkopoulos.

A vizsgálatok alapján úgy tűnik, több ezer generációnyi egyedfejlődés után jelent meg egy olyan mikrobatörzs, ami pontosan megfelelő válaszreakciókat volt képes adni környezetére. A kutatók kezdetben alig értették ezen új virtuális élőlények kémiai felépítését, amikor megvizsgálták őket, mivel biokémiai rendszerük látszólag teljesen felesleges összetevőkkel volt tele, első látásra úgy gondolták, egy biokémikus nem így tervezne meg logikai megoldásra "kihegyezett" hálózatokat. A rendszert aprólékosabban megvizsgálva azonban egy egyszerű és elegáns struktúrát sikerült felfedezniük, amelyben az is látszott, hogy milyen gén- és fehérjekapcsolatok vesznek részt a kutatók által adott jelzések elemzésében.

A felfedezés révén nemcsak azt lehet jobban átlátni, hogy miként fejlődnek ki szövetek és szervek vagy hogyan terjednek el a szervezetben a vírusfertőzések, hanem az is megérthető, hogy a baktériumok hogyan képesek mutációk révén ellenállni az antibiotikumoknak, hosszabb távra előrenézve pedig ez a kutatás abban is segíthet, hogy megszülethessen a környezetszennyezést eltakarító baktériumfaj is. A kutatás eredményeit a Science június 6-án megjelent számában publikálta a Princetoni Egyetem csoportja.