Бони Баслър разказва как бактериите си общуват

Бактериите са най-старите живи организми на земята. Те са тук от милиарди години, а всъщност са едноклетъчни микроскопични организми. Та, те се състоят от една клетка и това, което е особено при тях е, че ДНК-то им се състои само от една част. Имат много малко гени и генетична информация, в която да кодират всичките си характерни особености. Бактериите преживяват като консумират хранителни вещества от околната си среда, докато удвоят размера си, след което се разцепват по средата, и всяка клетка става на две и т.н., и т.н. Те растът и се делят, растът и се делят -- та, донякъде скучен живот, като се изключи това, за което бих поспорила, че имаме изключителни взаимодействия с тези дребосъци.

Знам, че всички вие се възприемате като хора, аз донякъде също ви възприемам така. Този човек се предполага, че представлява средностатистическо човешко същество, и всички тези кръгчета, символизират клетките, които съставят тялото му. Всеки от нас има около билион човешки клетки, от които сме съставени хората, които сме и ни позволяват да правим всичко, което правим, но същевременно имаме и по 10 билиона бактериални клетки вътре в нас или върху нас във всеки момент от живота си. Така че - 10 пъти повече бактериални клетки от човешки клетки. И разбира се, най-важното е ДНК-то, ето това са всичките А, Т, Г и Ц-та, които съставят генетичния ни код и определят всичките ни очарователни черти. Имаме около 30 000 гена. Е, оказва се, че имаме 100 пъти повече бактериални гени, които имат роля вътре в нас или върху нас през целия ни живот. В най-добрия случай сте 10 процента човек, но по-скоро сте около 1 процент човек, в зависимост от мярката, която си изберате. Знам, че мислите себе си за човешки същества, но аз мисля за вас като за 90 или 99 процента бактериални.

(Смях в залата)

Тези бактерии не са безучастни пътници, те са невероятно важни, те ни поддържат живи. Те покриват телата ни с невидим щит, който ни предпазва от атаките на околната среда, за да останем здрави. Те смилат храната ни, те произвеждат витамините ни, те всъщност обучават нашата имунна система как да държи лошите микроби навън. Така че те правят всички тези удивителни неща, които ни помагат и са жизненоважни за нас, но вестниците никога не пишат за това. Затова пък пишат много за другите неща, които бактериите правят -- ужасните неща. Е, на Земята има какви ли не бактерии, които нямат никаква работа във вас или върху вас в който и да е момент, а когато това се случи, ви правят много, много болни.

И така, въпросът в моята лаборатория е дали искаме да мислим за добрите неща, които бактериите правят или за лошите неща. Но въпросът, до който стигнахме е -- как изобщо правят каквото и да било? В смисъл, те са невероятно малки, трябва ви микроскоп, за да ги видите. Живеят донякъде отегчителен живот, изпълнен с растеж и делене и винаги сме ги смятали за асоциални, самотни организми. Струваше ни се, че просто са прекално малки, за да имат ефект върху околната си среда, ако действат поединично. И така искахме да помислим дали не е възможно бактериите да живеят по някакъв друг начин.

Първата улика дойде от една морска бактерия, която се нарича Vibrio fischeri. Това, което виждате на екрана е просто колега от лабораторията, който държи колба с бактериална култура, една невинна красива бактерия, която идва от океана, наречена Vibrio fischeri. Тази бактерия има специалната дарба да произвежда светлина, тя прави биолуминисценция, също като светулките. Ние не влияем по никакъв начин на клетките, които виждате. Направихме снимката като просто изгасихме лампата в стаята и това е резултатът.

Това, което ни заинтригува не е, че бактериите правят светлина, а кога бактериите правят светлина. Това, което забелязахме бе, че когато бактериите са сами, т.е., когато културата е много разредена, те не светят. Но когато броят им нарасне, всички бактерии светват едновременно. Въпросът, който ни човъркаше е как могат бактериите, тези примитивни организми, да разберат кога са сами и кога са заобиколени от себеподобни и после да направят нещо заедно. Изводът, до който стигнахме е, че те си говорят помежду си като използват химически език.

Това се предполага, че е една бактерия. Когато е сама, тя не прави никаква светлина. Но произвежда и отделя малки молекули, за които можете да мислите като за хормони, това са тези червени триъгълници. Когато бактерията е сама, тези молекули просто отплават в далечината и тя не светва. Но когато бактериите растът и се множат и всички те участват в произвеждането на тези молекули, молекулите -- извънклетъчното количество от тези молекули, се повишава пропоционално на броя на клетките. И когато молекулите достигнат определено количество, това казва на бактериите колко съседа имат, те разпознават молекулата и всички бактерии включват светлината синхронно. Така работи биолуминисценцията -- те си говорят с тези химически думи.

Причината, поради която Vibrio fischeri прави тези неща са биологични. Още една рекламна пауза за животните в океана -- Vibrio fischeri живее в тази сепия. На снимката виждате Хавайска късоопашата сепия (Hawaiian Bobtail Squid), обърната по гръб и се надявам виждате тези две светещи изпъкналости, които приютяват клетките на Vibrio fischeri, те живеят там, в голяма численост, молекулата им също е там и те светят. Причината, поради която сепията е готова да търпи подобни щуротии, е, че тя иска тази светлина. Начинът, по който работи тази симбиоза е следният: тази малка сепия живее по крайбрежието на Хаваи в плитки води -- горе-долу до коленете. Сепията е нощна, така че през деня се заравя в пясъка и спи, но през нощта трябва да излезе на лов. Когато небето е чисто, светлината от звездите или луната прониква във водата, в която живее сепията, защото е съвсем плитка. Това, което сепията е развила е една клапа, върху органа, в който са бактериите, която може да се отваря и затваря . Освен това на гърба си има детектор, който чувства колко светлина от звездите и луната стига до него. И така тя отваря и затваря клапата, така че количеството светлина, което излиза откъм корема й, светлина, произведена от бактериите, е абсолютно същото като количеството, което достига до гърба й, така че сепията не прави сянка. Всъщност тя използва светлината от бактериите, като механизъм за защита от хищниците, така че те да не могат да видят сянката й, да изчислят траекторията и да я изядат. Тя е нещо като Стелт бомбардировачът на океана.

(Смях в залата)

Но като се замислите, сепията има и един ужасен проблем, защото тя носи тази наситена, умираща култура бактерии, които не може да поддържа. И това, което се случва е, че всяка сутрин, когато слънцето изгрее сепията ляга да спи, заравя се в пясъка и има една помпа, обвързана с 24-часовият й ритъм, която изпомпва 95% от бактериите всяка сутрин. Така бактериите се разреждат, хормоналната молекула я няма, и те не светят -- това естествено не вълнува сепията. Тя спи в пясъка. В продължение на деня бактериите се размножават, отделят молекулата и включват светлината за през нощта, точно когато сепията я иска.

Първо разбрахме как бактерията прави това, но после вкарахме в играта молекулярната биология, за да разберем точно какъв е механизмът. Това което открихме -- това отново се предполага, че е една бактерия -- е, че Vibrio fischeri има един протеин -- червената кутийка -- той е ензим, който произвежда тази малка хормонална молекула -- червеният триъгълник. И така, докато клетките растат, всички те отделят тази молекула в околното си пространство, така че там има много молекули. Освен това бактериите имат рецептор на клетъчната си стена, който работи с тази молекула, като ключ с ключалка. Те са също като рецепторите по повърхността на вашите клетки. Когато молекулата постигне определена наситеност, която е показателна за броя на клетките, тя се заключва в рецептора и в клетката постъпва информация, която й казва да активира груповото поведение за излъчване на светлина.

Това е интересно защото в последното десетилетие открихме, че това не е просто някаква аномалия при тази щура светеща бактерия, която живее в океана -- всички бактерии имат такива системи. Това, което научихме е, че всички бактерии разговарят помежду си. Те произвеждат химически думи, разбират ги и така активират групови поведения, които са успешни само, ако всички клетки участват в унисон. Измислихме и засукано име за това, наричаме го усет за кворум. Те гласуват с техните химически бюлетини, бюлетините се преброяват и после всички реагират на резултатите.

Това, което е важно за днешната лекция е, че ние знаем за стотици такива поведения, които бактериите практикуват колективно. Но вероятно най-важното за вас е вирулентността. Не е като няколко бактерии да могат да проникнат във вас и просто да започнат да отделят токсини -- вие сте грамадни, това не би имало никакъв ефект върху вас. Вие сте огромни. Това което те правят, както сега разбираме, е -- влизат, чакат, растат, преброяват се с помощта на тези малки молекули и разбират кога са достигнали критичния брой клетки, който ще им позволи, при синхронна атака, да успеят да победят един огромен приемник. Бактериите винаги контролират болестотворните си атаки чрез усета за кворума. Така работят.

После започнахме да вглеждаме какви са тези молекули -- малките червени триъгълничета, които видяхте. Това е молекулата, която се използва от Vibrio fischeri. Това е думата, с която те си говорят. После започнахме да проверяваме и другите бактерии и това са просто няколко примера от многото, които открихме. Това което се надявам, че забелязвате, че всички тези молекули са близки. Лявата им част е една и съща при всички видове бактерии. Дясната обаче е леко различна при всеки вид. По този начин тези езици получават изключителност за всеки вид. Всяка молекула заключва рецептора само на партньор и на никой друг. Това са частни, тайни разговори. Тези разговори са само за вътрешновидови съобщения. Всяка бактерия използва специална молекула за свой език, която й позволява да преброи посестримите си.

Когато стигнахме дотук, мислехме че започваме да разбираме, че бактериите имат социално поведение. Но това, което наистина ни накара да се замислим бе, че през повечето време бактериите не живеят сами, те обитават невероятен миш-маш, в който има стотици или хиляди други видове бактерии. Това се вижда на тази снимка. Това е вашата кожа. Та, това е просто една снимка -- микроснимка на вашата кожа. Навсякъде по тялото ви, нещата изглеждат в общи линии така, надявам се виждате, че има какви ли не бактерии. И така стигнахме до мисълта, че, ако целта е да си говорят и да броят съседите си, не е достатъчно да можеш да говориш само в рамките на вида си. Трябва да има начин да преброиш и останалите бактерии.

И така се върнахме към молекулярната биология и започнахме да изучаваме различни бактерии и това, което открихме е, че всъщност бактериите говорят повече от един език. Всички имат специална система за вида си -- молекула, която казва "аз". Но в същото време имат и втора система, която открихме, която е обща за всички. Имат втори ензим, който произвежда втори сигнал, който си има собствен рецептор и тази молекула е търговският език на бактериите. Използва се от всички видове бактерии и е езикът на междувидовите съобщения. Така че бактериите могат да преброят колко има като мен и колко има от останалите. Те възприемат тази информация и така решават какви действия да предприемат, според това кой е в малцинство и кой в мнозинство в което и да е население.

После отново се обърнахме към химията и разбрахме коя е общата молекула -- това бяха розовите елипси от последния ми слайд, това е. Това е една много малка петвъглеродна молекула. Важното нещо, което научихме е, че всяка бактерия има абсолютно същия ензим и произвежда абсолютно същата молекула. Така че всички произвеждат точно тази молекула за междувидови съобщения. Това е Есперантото на бактериите.

(Смях в залата)

Когато стигнахме дотук, започнахме да разбираме, че бактериите си говорят чрез този химически език. Но се замислихме, дали не можем да извлечем нещо полезно от това откритие. Вече ви казах, че бактериите имат разни социални поведения те комуникират с тези молекули. Също така ви казах, че едно от важните неща, които правят е да активират болестотворните си атаки чрез усета за кворум. Замислихме се, ами ако направим тези бактерии, така че да не могат да говорят или да чуват? Дали това биха били нови видове антибиотици?

Разбира се, вие току-що сте чули и вие вече знаете, че антибиотиците са на изчерпване. Бактериите точно сега са невероятно устойчиви към много препарати и това е, защото всички антибиотици, които използваме убиват бактерии. Те или пукат бактериалната мембрана, правят така, че бактерията да не може да копира ДНК-то си. С традиционните антибиотици убиваме бактериите и това избира резистентните мутанти. И така сега разбира се имаме този глобален проблем с инфекциозните болести. Замислихме се, ами ако можем да направим някакси поведенчески корекции, просто да направим тези бактерии така че да не могат да говорят, и да броят и да не могат да знаят да започнат атака.

И точно това направихме, използвайки две стратегии. Първата е да се прицелим в междувидовите съобщения. Направихме молекули, които изглеждат доста като истинските, които видяхте, но те са малко различни. И така, те заключват рецепторите и заглушават приема на истинската молекула. Целейки се върху червената система, това, което можем да направим са молекули, които пречат на усета за кворум, специфични за вида или за болестта. Същото направихме и с розовата система. Взехме универсалната молекула и си поиграхме с нея, така че направихме антагонисти на междувидовата комуникационна система. Надеждата е, че тези ще използваме като широкоспектърни антибиотици, които работят срещу всички бактерии.

За финал просто ще ви покажа стратегията. В този пример използвам междувидовата молекула, но логиката е абсолютно същата. Това, което знаете е, че когато една бактерия проникне в животното, в този случай -- мишка, тя не започва да го заразява веднага. Влиза, започва да расте, отделя своите молекули за усет на кворум. Разбира кога има достатъчно бактерии, и сега вече започват да атакуват, и животното умира. Това, което постигнахме е, да заразим животното, но същевременно да му дадем и молекули срещу усета за кворума -- молекули, които приличат на истинската, но са малко различни, както виждате на илюстрацията. Това, което открихме е, че ако дадем на животното болестотворна бактерия, която е резистентна към други лекарства, но в същото време му дадем и от молекулите, които пречат на кворума, всъщност, животното оцелява.

Мислим, че това е следващото поколение антибиотици, което ще ни помогне да заобиколим, поне за известно време, този голям проблем с устойчивостта. Надявам се, че вече разбирате, че бактериите си говорят, че използват химикали вместо думи, и че имат невероятно сложен химически речник, за който тепърва започваме да учим. Разбира се, това всъщност позволява на бактериите да бъдат многоклетъчни. И така, в духа на TED, те правят нещата заедно, защото съединението прави силата. Това означава, че бактериите имат групово поведение, и така могат да постигнат цели, които биха били непостижими, ако действаха поединично.

Надявам се, че мога също така да ви убедя, че това е изобретяването на многоклетъчността. Бактериите са на Земята от милиарди години. Хората -- от няколко стотин хиляди. Ние мислим, че бактериите са написали правилата за работата на многоклетъчните организации. Мислим, че като изучаваме бактериите, ще научим много нови неща за многоклетъчността на човешкото тяло. Знаем, че принципите и правилата, ако можем да ги разберем, в тези донякъде примитивни организми, надеждата е, че те ще се приложат и към други човешки болести и поведения. Надявам се още, че сте научили, че бактериите могат да различават себе си от останалите. Чрез тези две молекули те могат да казват "аз" и "ти". Отново, разбира се, това го правим и ние, както на молекулярно ниво, така и на повърхността, но аз мисля главно за молекулярните неща.

Точно това се случва в телата ни. Не е като клетките на сърцето и клетките на бъбреците да се омешват всеки ден, и това е благодарение на всичката химия, която се случва, тези молекули, които казват коя е всяка от тези групи клетки и какви трябва да са нейните задачи. Отново, ние мислим, че това е откритие на бактериите а вие просто сте еволюирали няколко префърцунени допълнителни функции, но всички основни идеи са в тези прости системи, които можем да изучаваме.

И накрая, нека отново повторя, че има и нещо полезно, че сме сглобили тези молекули, които пречат на усета за кворум, които се развиват като ново поколение терапия. Но, за да завърша с малко реклама за добрите и чудотворни бактерии, които обитават Земята, ние също направихме и молекули, които помагат за постигането на кворум. Концентрирахме се върху тези системи, за да накараме молекулите да работят по-добре. Спомнете си, че имате 10 пъти повече бактериални клетки вътре във вас или върху вас, които поддържат здравето ви. Това, което се опитваме да направим е да подсилим разговора на бактериите, които живеят в симбиоза с вас, с надеждата да ви направим по-здрави, да подобрим тези разговори, така че бактериите да могат да правят нещата, които искаме от тях по-добре, отколкото биха могли без нашата помощ.

И накрая искам да ви покажа, това е моята банда в Принстън, Ню Джързи. Всичко, за което ви разказах е откритие на някой от тях. Надявам се като учите неща, като например как работи природата -- искам само да кажа, че всеки път като прочетете нещо във вестника или чуете някоя лекция за ново щуро откритие, това е постигнато от дете. Науката се развива от тази възрастова група. Всички тези хора са между 20 и 30-годишни и те са двигателят на научните открития в тази държава. Това е една чудесна възрастова група за работа. Аз ставам все по-възрастна, а те са винаги на тази възраст и това е просто една невероятно приятна работа. Благодаря ви, че ме поканихте тук. За мен е голямо удоволствие да бъда на тази конференция.

(Аплодисменти)

Благодаря.

(Аплодисменти)