Bonnie Bassler o tom, jak bakterie komunikují

Bakterie jsou nejstarší žijící organizmy na Zemi. Jsou tu už miliardy let a vlastně jsou to jednobuněčné mikroskopické organizmy. Jsou tedy tvořeny jednou buňkou, která má zvláštní vlastnost, má pouze jednu molekulu DNA. Mají velmi málo genů a genetické informace, do které musí zakódovat všechny svoje vnější znaky. Bakterie přežívají tím způsobem, že konzumují živiny ze svého prostředí, dorostou do dvojnásobku své velikosti, rozpůlí se a jedna buňka se stane dvěma a tak dále. Takže rostou a množí se a rostou a množí se - trochu nudný život, ale chci poukázat na to, že tyhle příšerky spolu úžasně interagují.

Chápu, že vy se považujete za lidi a já vás za ně víceméně taky považuji. Tento člověk by měl představovat obecnou lidskou bytost a všechny ty kolečka v tom člověku jsou buňky, které tvoří vaše tělo. V každém z nás je zhruba bilión buněk, které dělají z každého z nás to, čím jsme a umožňují nám dělat všechny ty věci, které děláme, ale pak je tu 10 biliónů bakteriálních buněk ve vás nebo na vás v každém okamžiku vašeho života. Takže desetkrát více bakteriálních buněk než lidských buněk na lidské bytosti. A samozřejmě důležitá je hlavně DNA, takže tady jsou všechny ty A, T, G a C, které tvoří váš genetický kód a dávají vám vaše okouzlující charakteristiky. Máte kolem 30 000 genů. Jenže se ukazuje, že máte stokrát více bakteriálních genů, které hrají roli ve vás nebo na vás po celý váš život. Jste přinejlepším z 10% člověk, ale spíše jenom jednoprocentní člověk, v závislosti na tom, který z těchto poměrů se vám líbí. Vím, že se považujete za lidské bytosti, ale já vás považuji za z 90 až 99 procent bakterie.

(Smích)

Tyto bakterie nejsou jen pasivní pasažéři, jsou neskutečně důležité, udržují nás při životě. Vytváří na našem těle neviditelné brnění, které nás chrání před vnějším prostředím, takže zůstaneme zdraví. Tráví naše jídlo, produkují naše vitamíny, dokonce učí náš imunitní systém, jak se bránit proti škodlivým mikrobům. Takže dělají všechny tyto úžasné věci, které nám pomáhají a jsou nezbytné pro náš život, a nikdy se za to nedostanou do novin. Ale ví se o nich, protože dělají také hodně špatných věcí. Na světě je spousta druhů bakterií, které nemají co dělat ve vás nebo na vás a když vás napadnou, budete velmi nemocní.

No a otázka pro moji laboratoř je, jestli chcete myslet na všechny ty dobré věci, které bakterie dělají, nebo na ty špatné věci. Otázka, kterou jsme si položili, je jak můžou vůbec něco dělat? Vždyť jsou neuvěřitelně malé, musíte si vzít mikroskop, aby jste je viděli. Žijí takový nudný život, jenom rostou a dělí se, a byly vždycky považovány za takové asociální samotářské organismy. A tak jsme si mysleli, že jsou příliš malé, aby mohly mít význam na své prostředí, pokud by jednaly jen individuálně. A tak jsme se začali zajímat, jestli neexistuje jiný způsob, kterým bakterie žijí.

Odpověď přišla od jedné mořské bakterie, která se nazývá Vibrio fischeri. Teď se díváte na člověka z mé laboratoře, který drží baňku tekuté kultury neškodné krásné bakterie, která pochází z oceánu, a nazývá se Vibrio fischeri. Tato bakterie má speciální vlastnost, vyzařuje světlo, takže vytváří bioluminiscenci, stejně jako světlušky. Nic tady s těmi buňkami neděláme. Jen jsme v místnosti zhasli a vyfotili jsme je a tohle jsme viděli.

Nebylo pro nás ale zajímavé, že bakterie svítí, ale kdy ty bakterie svítí. Zjistili jsme, že když je bakterie sama, takže když je ve zředěné suspenzi, tak nezáří. Ale když dosáhly určitého buněčného počtu, všechny bakterie se rozzářily ve stejný okamžik. Otázka byla, jak mohou bakterie, tyhle primitivní organismy, rozpoznat, kdy jsou samy a kdy mají společnost a potom něco udělat všechny dohromady. Zjistili jsme, že to dělají tak, že spolu mluví, mluví spolu chemickým jazykem.

Tohle představuje moji bakteriální buňku. Když je sama, tak nesvítí. Ale vytváří a vylučuje malé molekuly, které si můžete představit jako hormony, a to jsou tyto červené trojúhelníky. Když je bakterie sama, ty molekuly jen odplavou a světlo není. Ale když bakterie rostou a dělí se a všechny se podílejí na vytváření těchto molekul, ta molekula - mimobuněčné množství té molekuly roste spolu s počtem buněk. A když ta molekula nabude určitého množství, které řekne té bakterii, kolik má sousedů, ona tu molekulu rozpozná a všechny bakterie začnou najednou svítit. Tak funguje bioluminiscence - všechny spolu mluví těmito chemickými slovy.

Důvod, proč to Vibrio fischeri dělá, je biologický. Jenom malá reklama na zvířata v oceánu: Vibrio fischeri žije v jedné olihni. Teď se právě díváte na sepiolu kropenatou, která byla otočena na záda, a doufám, že vidíte ty dva zářící laloky, to jsou domovy buněk Vibrio fischeri. Žijí tam ve vysokých počtech, ta molekula je tam taky a ony svítí. Důvod proč ta oliheň takovou vylomeninu snáší, je, že chce právě to světlo. Způsob, jakým tahle symbióza funguje, je, že tahle malá oliheň žije u pobřeží Havaje, jen v takové mělké vodě asi po kolena. Je to noční živočich, takže během dne se zahrabe do písku a spí, ale potom během noci vyleze a loví. Za jasných nocí, když je hodně světla z hvězd a měsíce, to světlo pronikne skrz hloubku vody, ve které ta oliheň žije, protože je to jenom pár decimetrů vody. Ta oliheň vyvinula clonu, která může zavřít a otevřít světelný orgán s bakteriemi. Potom má také detektory na zádech, takže umí vycítit kolik světla z hvězd a měsíce na ni dopadá. A pak otvírá a zavírá tu clonu, aby množství světla, které vychází ze spodu - které vyzařuje ta bakterie - přesně odpovídalo množství světla, které dopadá na záda té olihně, takže pak oliheň nevrhá žádný stín. Používá vlastně světlo té bakterie, aby osvětlila sebe sama v obraně proti predátorům, kteří neuvidí její stín a nemůžou tedy vypočítat její dráhu a sníst ji. Je jako neviditelný bombardér z oceánu.

(Smích)

Ale když se nad tím zamyslíte, tahle oliheň má velký problém, protože má tuhle umírající, silnou kulturu bakterií, a nemůže ji udržet. Takže každé ráno, když vychází slunce, jde oliheň spát, zahrabe se do písku, a pumpou, která je napojená na její cirkadiánní rytmus, vypumpuje kolem 95 procent všech těch bakterií. Teď jsou bakterie rozředěné, ta malá hormonální molekula je pryč, takže nedělají žádné světlo - oliheň to ale nezajímá. Spí v písku. A jak den pokračuje, bakterie se množí, vylučují tu molekulu a potom začnou svítit v noci, přesně, když to oliheň potřebuje.

Nejdřív jsme přišli na to, jak to ta bakterie dělá, ale potom jsme použili nástroje molekulární biologie, abychom přesně odhalili mechanismus tohoto děje. A zjistili jsme - takže tohle je opět moje bakteriální buňka - že Vibrio fischeri má protein - to je ten červený čtverec - je to enzym který tvoří tu malou hormonální molekulu - ten červený trojúhelník. A jak ty buňky rostou, všechny vylučují tu molekulu do svého prostředí, takže je tam spousta těch molekul. A bakterie mají na svém povrchu také receptor, do kterého ta molekula zapadá jako klíč do zámku. Jsou stejné jako receptory na povrchu vašich buňek. Když ta molekula dosáhne určitého množství - což něco říká o počtu buňek - zapadne do receptoru a buňky dostanou informaci, která jim říká, ať zapnou to kolektivní svícení.

Zajímavé je to proto, že za posledních deset let jsme zjistili, že tohle není jen nějaká anomálie, příslušející nějaké směšné svítící baktérii, která žije v oceánu - ale že systémy, jako je tento, mají všechny bakterie. Takže teď už chápeme, že všechny bakterie spolu mluví. Tvoří chemická slova, rozumí těmto slovům, a vytvářejí skupinové vzorce chování, které jsou úspěšné pouze, když všechny buňky jednají současně. Máme pro to učené jméno, nazýváme to quorum sensing. Hlasují těmito chemickými hlasy, které se sečtou a potom na to hlasování každý reaguje.

Pro dnešní přednášku je důležité, že existují stovky vzorců chování, které bakterie provádějí takto kolektivně. Ale pro vás je možná nejdůležitější virulence. Není to tak, že by se do vás dostalo pár bakterií, které začnou vylučovat nějaké toxiny - jste obrovští, nemělo by to na vás žádný dopad. Jste velikánští. Teď už víme, že ve skutečnosti se do vás dostanou, čekají a množí se. Sčítají se těmito malými molekulami, a rozpoznají, kdy mají dostatečné množství buněk, takže až začnou být virulentní, budou úspěšné ve zdolání obrovského hostitele. Bakterie vždy kontrolují patogenitu pomocí quorum sensing. Tak to funguje.

Potom jsme také začali zjišťovat, co to je za molekuly - myslím ty červené trojúhelníky na mých slidech. Toto je ta molekula od Vibrio fischeri. Tohle je to slovo, které používá ke komunikaci. Potom jsme začali zkoumat ostatní bakterie, a tohle je jenom ždibec molekul, které jsme objevili. Doufám, že zde vidíte, že ty molekuly jsou si podobné. Levá strana té molekuly je identická v každém druhu bakterie. Ale pravá strana je vždy trošičku rozdílná v každém druhu. Uděluje to jednotlivým druhům specifika pro jejich jazyky. Každá molekula zapadá do svého partnerského receptoru a do žádného jiného. Takže to jsou soukromé, tajné konverzace. Tyhle rozhovory jsou pro komunikaci v rámci jednoho živočišného druhu. Každá bakterie použivá určitou molekulu, která je jejím jazykem, jenž jí dovoluje spočítat její sourozence.

Když jsme se dostali tak daleko, mysleli jsme si, že začínáme rozumět, že bakterie mají sociální chování. Ale většinu času jsme si hlavně říkali, že bakterie nežijí samy, žijí v neuvěřitelných směsicích se stovkami a tisíci jiných druhů bakterií. A to je zobrazeno na tomto slidu. Tohle je vaše kůže. Tohle je jenom obrázek - mikrofotografie vaší kůže. Všude na vašem těle to vypadá zhruba takhle, a vidíte, že tam jsou všechny možné druhy bakterií. A tak jsme si začali říkat, že jestli se opravdu bavíme o komunikaci bakterií a o sčítání jejich sousedů, nestačí umět se dorozumět jen v rámci vlastního živočišného druhu. Musí existovat způsob jak provést sčítání ostatních bakterií v této populaci.

Takže jsme se vrátili k molekulární biologii a začali jsme studovat jiné bakterie a zjistili jsme, že ve skutečnosti bakterie ovládají více jazyků. Všechny mají systém pro svůj živočišný druh - mají molekulu, která říká "já". Ale současně s ním mají druhý systém, a který je obecný. Takže mají druhý enzym, který dává druhý signál a ten má svůj receptor, a tahle molekula je obchodnický jazyk bakterií. Je používán všemi různými typy bakterií a je to jazyk pro komunikaci mezi druhy. Takže ve skutečnosti bakterie umí sečíst, kolik je mě a kolik je vás. Přijmou tu informaci a rozhodnou se jaké úkony vykonat v závislosti na tom, kdo je v menšině a kdo ve většině v jakékoli dané populaci.

A opět jsme se vrátili k chemii a zjistili jsme, co je tou obecnou molekulou - to jsou ty růžové ovály na mém slidu. Je to velmi malá pětiuhlíková molekula. Důležité je, že jsme zjistili, že každá bakterie má přesně ten samý enzym a tvoří přesně tu samou molekulu. Takže všechny používají tuhle molekulu pro komunikaci mezi druhy. Tohle je bakteriální esperanto.

(Smích)

Když jsme se dostali až sem, zjistili jsme, že bakterie spolu mluví tímto chemickým jazykem. Ale začali jsme si říkat, že je tu možná něco praktického, co by se dalo provést. Řekla jsem vám, že bakterie mají všechno tohle sociální chování, komunikují spolu těmito molekulami. Samozřejmě jsem vám taky řekla, že jedna z těch důležitých věcí, co dělají, je iniciace patogenity pomocí quorum sensing. Řekli jsme si, co kdybychom vytvořili bakterie tak, aby nemohly mluvit nebo slyšet? Nemohl by to být nový druh antibiotik?

Samozřejmě jste už slyšeli a víte, že nám dochází antibiotika. Bakterie jsou nyní neuvěřitelně odolné proti lékům a to je kvůli všem těm antibiotikům, které proti nim používáme. Narušují bakteriální membránu a způsobují, že bakterie nemůže replikovat svou DNA. Zabíjíme bakterie tradičními antibiotiky a to prosívá odolné mutanty. A nyní máme samozřejmě tento globální problém infekčních nemocí. Řekli jsme si, co kdybychom provedli takovou behaviorální modifikaci, stačí vytvořit bakterie tak, aby nemohly mluvit, nemohly se sčítat, a nemohly se stát virulentními.

A to je přesně to, co jsme udělali. Zkusili jsme dvě strategie. První byla, že jsme se zaměřili na komunikaci v rámci druhu. Takže jsme vytvořili molekuly, co vypadají tak trochu jako ty opravdové molekuly, které jste viděli - ale jsou trochu jiné. Takže zapadnou do těch receptorů, a zarazí rozpoznávání té opravdové molekuly. Tím, že jsme se zaměřili na červený systém, jsme byli schopni vytvořit quorum sensing blokující molekuly, specifické pro druh nebo nemoc. Udělali jsme to samé i s růžovým systémem. Vzali jsme tu univerzální molekulu a trochu ji pokroutili, takže jsme udělali antagonisty toho systému pro komunikaci mezi druhy. Doufáme, že budou použity pro širokospektrální antibiotika, které fungují proti všem bakteriím.

Na závěr vám jenom ukážu tu strategii. V téhle používám jenom tu molekulu pro komunikaci mezi druhy, ale princip je pořád ten samý. Jak víte, tak když se bakterie dostane do zvířete, v tomto případě do myši, nezačne být virulentní hned. Dostane se dovnitř, roste, začíná vylučovat své molekuly pro quorum sensing. Rozpozná, když má dostatek bakterií a až pak zahájí svůj útok a zvíře zemře. Byli jsme schopni je nakazit těmito virulentními infekcemi, ale dáváme jim je současně s našimi anti-quorum sensing molekulami - s těmi molekulami, co vypadají skoro jako skutečné, ale trochu se přece jen liší, což ukazuji na tomhle slidu. Teď víme, že když dáme zvířeti patogenní bakterii odolnou vůči všemožným lékům - a současně jí dáme naši anti-quorum sensing molekulu, zvíře přežije.

Myslíme si, že tohle je nová generace antibiotik a pomůže nám dostat se, aspoň zpočátku, přes náš velký problém odolnosti vůči antibiotikům. Takže teď doufám, že víte, že bakterie spolu mluví, použivají chemikálie jako svoje slova, a mají neskutečně složitý chemický slovník, o kterém se teprv začínáme učit. Samozřejmě to umožňuje bakteriím být vícebuněčné. Takže v duchu TED dělají věci společně, protože to má velký význam. Bakterie tedy mají tyto společné vzorce chování, a můžou provádět úkony, které by nikdy nemohly dokázat, kdyby se chovali jen jako jednotlivci.

Také si myslím, že s vámi můžu polemizovat o tom, že toto je vynález mnohobuněčnosti. Bakterie byly na zemi po miliardy let. Lidé po pár stovek tisíc. Myslíme si, že bakterie vytvořily pravidla pro vícebuněčnou organizaci. Myslíme si, že studiem bakterií budeme schopni porozumět lépe mnohobuněčnosti lidského těla. Víme, že pokud pochopíme principy a pravidla, v těchto primitivních organizmech, máme naději, že budou aplikovatelné na jiné lidské nemoci a lidské chování. Doufám, že jste pochopili, že bakterie dokážou rozlišit sebe od ostatních. Použitím těchto dvou molekul umí říct "já" a "ty". To je samozřejmě, co děláme my, ať už molekulárně, nebo vnějším způsobem, ale já zkoumám ten molekulární způsob.

Je to přesně to, co se děje v našem těle. Buňky vašeho srdce a ledvin se každý den nepromíchávají, protože se v těle děje neustále tolik chemie, molekuly neustále říkají, kdo je která skupina buněk, a co by mělo být jejím úkolem. Opět si myslíme, že tohle vynalezly bakterie a vy jste pouze vyvinuli nějaká tlačítka a pípátka, ale všechny principy jsou v těchto jednoduchých systémech, které studujeme.

A poslední věc, opět jen pro zopakování, že to má i praktické využití - vyrobili jsme anti-quorum sensing molekuly, které se rozvíjí v nové typy léků. A ještě malá reklama na dobré a zázračné bakterie, které žijí na zemi, udělali jsme také pro-quorum sensing molekuly. Zaměřili jsme se na systémy, které zlepšují práci těch molekul. Vzpomeňte, že máte 10x více bakteriálních buněk na vás nebo ve vás, které vás udržují zdravé. Snažíme se totiž také posílit konverzaci bakterií, které s vámi žijí v symbióze, a snaží se vás udržet zdravé. Zlepšujeme ty konverzace, takže bakterie mohou dělat věci, které po nich chceme, lépe, než by je dělaly samy.

Na závěr jsem vám chtěla ukázat mou partu v Princetonu v New Jersey. Všechno, co jsem vám řekla, bylo objeveno někým z této fotky. Doufám, že když se učíte, třeba jak funguje příroda - chci jen říct, že kdykoli čtete něco v novinách nebo slyšíte nějakou přednášku o něčem šíleném, co se děje v přírodě, přišlo na to dítě. Vědu dělá hlavně tahle skupina lidí. Všichni tihle lidé mají mezi 20 a 30 lety, a jsou motorem, který žene vědecké bádání v téhle zemi. Jsem opravdu šťastná, že můžu s touhle skupinou pracovat. Já pořád stárnu a stárnu a oni jsou pořád stejně staří, je to šílená a nádherná práce. Chci vám poděkovat za pozvání sem. Je pro mě velké potěšení, že jsem sem mohla přijít.

(Potlesk)

Děkuji.

(Potlesk)