Bonnie Bassler über die Kommunikation der Bakterien

Bakterien sind die ältesten Organismen, die auf der Erde leben. Sie sind schon seit Milliarden von Jahren hier und sind einzellige, mikroskopisch kleine Organismen. Sie bestehen nur aus einer Zelle und haben die spezielle Eigenschaft, dass sie nur einen DNA Strang beinhalten. Bakterien haben also nur sehr wenige Gene und genetische Informationen um sämtliche Merkmale, die sie ausführen, zu encodieren. Die Art und Weise wie ein Bakterium überlebt ist, dass sie sich von den Nährstoffen in der Umgebung ernähren. Sie wachsen auf die doppelte Größe an, teilen sich in der Mitte und aus einer Zelle werden zwei. Und so weiter und so fort. Also wachsen und teilen, wachsen und teilen. Eigentlich ein ziemlich langweiliges Leben. Stattdessen würde ich behaupten, dass Menschen eine erstaunliche Wechselbeziehung mit diesen Kreaturen haben.

Ich weiß, dass Sie sich als Menschen betrachten. Und so denke ich fast auch. Dieser Mann hier ist dazu bestimmt, den allgemeinen Menschen zu repräsentieren. Und alle Kreise in diesem Mann sind alle Zellen, die Ihren Körper erschaffen. Es sind ungefähr 1 Billionen Zellen, die einen jeden von uns ausmachen, und uns ermöglichen, all die Dinge zu bewerkstelligen, die wir machen. Sie haben jedoch 10 Billionen Bakterien in oder auf Ihnen, zu jeden Zeitpunkt ihres Lebens. Also 10 mal so viele Bakterien wie menschliche Zellen in einem Menschen. Es ist jedoch die DNA die zählt. Hier sind also alle A, T, Gs und Cs, die Ihren genetischen Code bilden und Ihnen all die charmanten Charakterzüge verleihen. Sie haben ungefähr 30.000 Gene. Wie sich herausstellt, haben Sie etwa 100 mal mehr bakterielle Gene, die eine Rolle in Ihrem Leben auf oder in Ihnen spielt. Bestenfalls sind sie 10% Mensch, wahrscheinlich eher 1%, abhängig welche dieser Zahlen Sie bevorzugen. Ich weiß, Sie glauben Sie sind Menschen, aber ich betrachte Sie vielmehr zu 90 bis 99 Prozent aus Bakterien bestehend.

(Lachen)

Diese Bakterien sind keine blinden Passagiere. Nein, sie sind vielmehr erstaunlich wichtig. Sie erhalten uns am Leben. Sie bedecken uns mit einer unsichtbaren Körperschutzhülle, die Angriffe aus der Umwelt fernhält, so dass wir gesund bleiben. Sie verdauen unsere Nahrung. Sie produzieren unsere Vitamine. Sie bilden sogar unser Immunsystem aus, gefährliche Mikroben abzuwehren. Die Bakterien vollbringen also alle diese erstaunlichen Dinge, die uns helfen, uns sogar erst ermöglichen, ein gesundes Leben zu führen. Dafür wird ihnen niemals Beachtung geschenkt. Jedoch bekommen sie viel schlechte Presse, für all die grauenvollen Sachen, die sie auch anrichten. Es gibt so viele verschiede Bakterien auf der Erde, die zu keinem Zeitpunkt weder in noch auf Ihnen etwas zu suchen haben. Und falls sie es sind, machen sie Sie unglaublich krank!

Und so stellt sich die Frage in meinem Labor, ob man über all die guten Taten, die Bakterien vollbringen, denken möchte, oder über all die schlechten. Wir fragten uns: Wie können sie überhaupt etwas erreichen? Ich meine, sie sind so unglaublich klein, dass Sie ein Mikroskop brauchen, um welche zu sehen. Sie führen dieses langweilige Leben, währenddessen sie wachsen und sich teilen. Und sie wurden immer für zurückgezogene, unsoziale Organismen gehalten. Es schien uns also, dass sie einfach zu klein sind, um einen Auswirkung auf die Umwelt zu haben, wenn sie nur als Individuen agieren. So dachten wir uns, ob es nicht einen andere Art und Weise gäbe, wie ein Bakterium lebt.

Einen Anhaltspunkt fanden wir aufgrund eines marinen Bakteriums, und dieses Bakterium heißt "Vibrio fischeri" Auf dieser Folie sehen Sie ein Mitglied aus meinem Labor, welches einen Glasbehälter mit einer flüssigen Bakterienkultur in der Hand hält. Ein ungefährliches, wunderschönes Bakterium, das aus dem Ozean stammt, mit dem Namen "Vibrio fischeri". Dieses Bakterium hat die spezielle Eigenschaft, dass es Licht erzeugt, es erzeugt also Bio-Lumineszenz, wie z.B. ein Glühwürmchen. Wir machen nichts mit diesen Zellen hier. Wir haben einfach ein Foto gemacht, während es im Raum dunkel war, und das hier konnten wir beobachten.

Aber was eigentlich interessant für uns war, ist nicht, dass das Bakterium Licht erzeugt hat, sondern wann es zu leuchten begann. Uns ist aufgefallen, dass, wenn die Bakterien alleine waren, also in verdünnter Suspension, sie kein Licht erzeugten. Aber als sie zu einer gewissen Zellanzahl herangewachsen waren, begannen sie alle gleichzeitig zu leuchten. Die Frage war für uns also: Wie können Bakterien, diese primitiven Organismen, unterscheiden ob sie entweder allein sind oder sich in einer Gemeinschaft befinden, um dann alle zusammen etwas zu bewirken. Wir haben herausgefunden, dass sie untereinander kommunizieren. Und sie bewerkstelligen das mit Hilfe einer chemischen Sprache.

Das hier stellt eine bakterielle Zelle dar. Wenn sie alleine ist erzeugt sie kein Licht. Aber sie stellt kleine Moleküle her und scheidet diese aus. Sie können sich die als eine Art Hormon vorstellen. Das sind diese roten Dreiecke. Wenn das Bakterium alleine ist schwimmen die Moleküle einfach weg. Folglich kein Licht. Aber wenn die Bakterien wachsen und sich verdoppeln und sich alle daran beteiligen, diese Moleküle herzustellen, dann steigt die Zahl dieser Moleküle außerhalb der Zelle proportional zu der Zellanzahl. Wenn die Moleküle dann eine gewisse Anzahl übersteigen, die das Bakterium informiert wie viele Nachbarn es gibt, werden sie vom Bakterium wahrgenommen und alle fangen synchron an, zu leuchten. So funktioniert Bio-Lumineszenz -- sie sprechen mit Hilfe dieser chemischen Wörter.

Der Grund, weswegen Vibrio fischeri das macht entstammt der Biologie. Ein bisschen mehr Werbung für die Tiere der Meere: Vibrio fischeri lebt in diesem Tintenfisch. Sie sehen den Bobtail Tintenfisch aus Hawaii. Er liegt auf dem Rücken. Ich hoffe, sie könne diese zwei leuchtenden Lappen sehen. Vibrio fischeri lebt dort in hoch konzentrierter Zellanzahl. Das Molekül ist vorhanden und sie machen Licht. Der Grund, weswegen sich der Tintenfisch auf diese Spielerei eingelassen hat, ist, dass er das Licht will. Die Symbiose funktioniert folgendermaßen. Jener Tintenfisch lebt etwas von der Küste Hawaiis entfernt. Also im seichten, Knie tiefen Wasser. Der Tintenfisch ist nachtaktiv, also vergräbt er sich tagsüber in den sandigen Boden und schläft. Aber in der Nacht muss er hervorkommen, um zu jagen. In hellen Nächten, wenn es viel Sternen- oder Mondlicht gibt, kann das Licht bis in den Lebensraum des Tintenfisches vordringen, weil es nicht allzu tief ist. Dieser Tintenfisch hat eine Blende entwickelt, die er über diesem speziellen Lichtorgan, in dem sich die Bakterien befinden, öffnen und schließen kann. Außerdem hat er Sensoren auf seinem Rücken, mit denen er das einfallende Licht der Sterne und des Mondes erfassen kann. Nun reguliert der Tintenfisch die Blende so, dass das Licht, was unten herauskommt, welches von den Bakterien erzeugt wird, genau an das einfallende Licht angepasst wird und er keinen Schatten wirft. Er nutzt also das Licht der Bakterien, um sich selbst zu beleuchten als Verteidigungsmaßnahme, denn so können seine Feinde keinen Schatten mehr sehen, um seine Bewegungsabläufe zu bestimmen und ihn dann zu essen. Das ist quasi der Tarnkappenbomber der Meere.

(Lachen)

Aber wenn Sie jetzt darüber nachdenken hat dieser Tintenfisch dieses schreckliche Problem. Er hat diese absterbende, fette Kultur von Bakterien, die er nicht aufrechterhalten kann. Es geschehen also folgende Dinge: Jeden Morgen wenn die Sonne aufgeht, legt sich der Tintenfisch wieder unter dem Sand schlafen. An seinem Biorhythmus ist eine Pumpe angeschlossen, die jeden Morgen ca. 95% der Bakterien nach draußen schleudert. Jetzt sind die Bakterien verdünnt, das winzige Hormonmolekül ist weg und sie erzeugen folglich auch kein Licht. Das kümmert den Tintefisch natürlich nicht, denn er ist ja am schlafen. Im weiteren Tagesverlauf verdoppeln sich die Bakterien wieder, lassen das Molekül frei und das Licht geht gegen Abend an, genau dann, wenn der Tintenfisch es braucht.

Zuerst haben wir herausgefunden, wie Bakterien das anstellen, aber danach brachten wir die Werkzeuge der Molekularbiologie ein, um den genauen Vorgang zu identifizieren. Wir entdeckten, - Also, das ist wieder meine bakterielle Zelle - dass Vibrio fischeri ein Protein hat - dieser rote Kasten - welches ein Enzym ist, das die kleinen Hormon-Moleküle - die roten Dreiecke - produziert. Wenn die Zellen dann wachsen, geben sie alle dieses Molekül an die Umwelt ab und so sind diese dann reichhaltig vorhanden. Des Weiteren hat das Bakterium einen Rezeptor auf der Zellhülle, der genau zu dem Molekül passt – nach einem Schlüssel-Schloss-Prinzip. Genauso wie die Rezeptoren auf der Oberfläche Ihrer Zellen. Wenn die Moleküle zu einer gewissen Zahl heranwachsen, was etwas über die Anzahl der Bakterien aussagt, dann geht es die Verbindung mit diesem Rezeptor ein. Die Information gelangt dann in die Zelle, die dann der Zelle "sagt", dass es das kollektive Verhalten, zu leuchten, einschalten soll.

Das ist interessant, weil wir im letzten Jahrzehnt herausfanden, dass dies nicht nur irgendeine Anomalie dieses lächerlichen "Leuchten bei Nacht"-Meeresbakteriums ist. Alle Bakterien haben solche Systeme. Nun wissen wir, dass alle Bakterien miteinander sprechen können. Sie produzieren chemische Wörter, erkennen diese, und schalten dann das Gruppenverhalten ein, welches nur erfolgreich ist, wenn sich alle gleichzeitig daran beteiligen. Wir haben dafür einen schicken Namen: "Quorum Sensing" Die Bakterien stimmen mit Hilfe dieser chemischen Wörter ab. Dann wird ausgezählt, woraufhin jeder auf das Ergebnis reagiert.

Aber was für den Vortrag heute wichtig ist, ist, dass es hunderte von Verhalten gibt, die Bakterien in dieser kollektiven Manier ausführen. Aber die Sache, die für Sie am wahrscheinlich am wichtigsten ist, ist Virulenz. Es ist nicht so, dass ein paar Bakterien in Sie gelangen und dann beginnen Gifte freizusetzen. Sie sind zu groß, das würde keinen Effekt hervorrufen. Wir wissen jetzt, dass die Bakterien in Sie gelangen, dort warten und heranwachsen, sich selbst mit diesen kleinen Molekülen zählen erkennen, wann sie die erforderliche Zellanzahl erreicht haben, und dann, wenn sie ihre Attacke zusammen starten, sind sie erfolgreich, einen riesigen Wirt zu übermannen. Bakterien steuern das Auslösen von Krankheiten immer mit Quorum Sensing. So funktioniert es.

Außerdem haben wir die Moleküle genauer unter die Lupe genommen - das waren die roten Dreiecke auf meinen Folien zuvor. Das ist das Vibrio fischeri Molekül. Das ist das Wort, mit dem es spricht. Wir begannen, uns weitere Bakterien anzusehen und das ist nur ein Bruchteil der Moleküle, die wir fanden. Ich hoffe, Sie können erkennen, dass die Moleküle verwandt sind. Der linke Teil des Moleküls ist identisch in jeder einzelnen Bakterienspezies. Aber der rechte Teil des Moleküls ist in jeder Spezies ein klein wenig anders. Das gewährleistet eine speziesspezifische Exklusivität dieser Sprachen Jedes Molekül passt in seinen Partnerrezeptor und keinen anderen. Es sind also private, geheime Unterhaltungen. Es ist eine speziesinterne Kommunikation. Jedes Bakterium benutzt die eigene Molekülsprache, um die eigenen Geschwister zählen zu können.

Als wir so weit gekommen waren, dachten wir, dass wir begannen, zu verstehen, dass Bakterien soziale Verhalten besitzen. Aber woran wir wirklich fast den ganzen Tag lang dachten war, dass Bakterien nicht alleine, sondern vielmehr in unglaublichen Mixturen, die aus vielen hunderten bis tausenden verschieden Bakterien bestehen können, leben. Das ist auf der Folie beschrieben. Das ist Ihre Haut. Das ist nur ein Foto – eine Mikroskopaufnahme Ihrer Haut. Überall auf Ihren Körpern sieht es nahezu genauso aus wie auf dem Foto. Ich hoffe sie können sehen, dass es hier von Bakterien aller Art nur so wimmelt. Und so begannen wir, uns zu überlegen, ob es wirklich um Kommunikation zwischen Bakterien geht und darum ihre Nachbarn zu zählen, denn es ist nicht ausreichend, sich nur in der eigenen Spezies unterhalten zu können. Es musste einen Weg geben, eine Befragung der restlichen Bakterien in der Population durchzuführen.

Wir gingen also wieder zurück zur Molekularbiologie und fingen an, verschiedene Bakterien zu untersuchen. Wir fanden heraus, dass Bakterien tatsächlich mehrsprachig sind. Sie haben alle ein speziesspezifisches System - sie haben dafür ein Molekül das "ich" sagt. Aber dann fahren sie zweigleisig dazu noch ein zweites System, welches wir entdeckt haben, das allgemein ist. Sie besitzen ein zweites Enzym, welches ein zweites Signal herstellt. Das hat auch seinen eigenen Rezeptor und dieses Molekül ist die Handelssprache der Bakterien. Es wird von allen unterschiedlichen Bakterien verwendet und stellt die interspezielle Kommunikation dar. Nun sind Bakterien in der Lage zu zählen, wie viele es von "mir" und von "euch" gibt. Diese Information verinnerlichen sie und entscheiden dann, welche Aufgabe sie ausführen abhängig davon, wer in der Minderheit bzw. in der Mehrheit der vorhanden Population ist.

Dann haben wir uns wieder an die Chemie gewandt und herausgefunden, was dieses generische Molekül ist - es war das rosa Oval auf meiner Folie, das ist es. Es ist ein sehr kleines, fünfarmiges Kohlenstoffmolekül. Das Wichtige daran, was wir gelernt haben, ist, dass jedes Bakterium das identische Enzym hat und das identische Molekül bildet. Sie verwenden also alle dieses Molekül für die Kommunikation zwischen den Spezies. Das ist quasi das bakterielle Esperanto.

(Lachen)

Als wir so weit waren, begannen wir zu verstehen, dass Bakterien miteinander reden können, mithilfe dieser chemischen Sprache. Aber wir dachten auch daran, dass es vielleicht etwas brauchbareres gibt, das wir nutzen können. Ich habe Ihnen von dem sozialen Verhalten der Bakterien erzählt, dass sie mit Hilfe der Moleküle kommunizieren. Natürlich habe ich Ihnen auch mitgeteilt, dass eine der wichtigen Dinge, die sie machen das Auslösen von Krankheiten mit Hilfe von Quorum Sensing ist. Wir dachten: Was passiert wenn wir die Bakterien beeinflussen, so dass nicht sprechen oder hören können? Könnte das nicht eine neue Sorte Antibiotika sein?

Sie haben es sicherlich bereits vernommen und wissen auch, dass Antibiotika zur Neige gehen. Bakterien sind unglaublich arzneimittelresistent geworden, was darauf zurückzuführen ist, dass wir mit Antibiotika Bakterien töten. Sie lassen die Zellmembrane aufplatzen, sie bewirken, dass Bakterien keine DNA mehr replizieren können. Wir töten Bakterien mit traditionellen Antibiotika und das selektiert für resistente Mutanten. Jetzt haben wir natürlich ein globales Problem auf dem Gebiet der Infektionskrankheiten. Wir dachten: Wie wäre es, wenn wir ein paar Verhaltenmodifikationen vornehmen, so dass diese Bakterien nicht reden könnten, sich nicht zählen könnten und schließlich auch nicht wüssten, wann sie angreifen sollen.

Und das ist genau das, was wir taten. Wir verfolgten zwei Strategien. Die erste zielt auf das speziesinterne Kommunikationssystem ab. Wir erstellten Moleküle, die fast wie die Echten aussahen - die Sie schon sahen - aber diese unterscheiden sich etwas. Deshalb verschließen sie die Rezeptoren und stören das Erkennen der echten Moleküle. Wenn wir auf das rote System abzielen, sind wir in der Lage, speziesspezifische oder krankheitsspezifische Anti-Quorum-Sensing-Moleküle herzustellen. Wir haben das gleiche ebenfalls auf das rosa System angewandt. Wir nahmen das Universalmolekül und veränderten es etwas, so dass wir Gegenspieler des interspeziellen Kommunikationssystems herstellten. Wir hoffen, dass diese als allgemeine Antibiotika benutzt werden, die gegen alle Bakterien wirken.

Zum Ende werde ich Ihnen die Strategie vorstellen. Hier verwende ich nur das speziesinterne Molekül aber der Denkansatz ist exakt der gleiche. Sie wissen bereits, dass wenn ein Bakterium in ein Tier gelangt, in diesem Fall eine Maus, es nicht sofort die Krankheit auslöst. Es dringt ein, beginnt zu wachsen und dann die Quorum-Sensing-Moleküle auszuscheiden. Die Bakterien erkennen wann sie ausreichend in Anzahl sind und erst jetzt starten sie ihren Angriff, und das Tier stirbt. Wir waren in der Lage diese Krankheitserreger zu spritzen, aber wir spritzten sie zusammen mit den Anti-Quorum-Sensing-Molekülen also die Moleküle, die aussehen wie die Echten. Aber sie unterscheiden sich etwas, was ich auf dieser Folie dargestellt habe. Wir wissen nun, dass wenn wir einem Tier krankheitsauslösende Bakterien - mehrfach resistente, krankheitsauslösende Bakterien - spritzen und zur selben Zeit das Anti-Quorum-Sensing-Molekül injizieren das Tier tatsächlich am Leben bleibt.

Wir glauben, dass dies die nächste Antibiotikageneration ist und wir werden damit, zumindest anfänglich, dieses große Problem der Resistenz lösen. Ich hoffe Sie wissen jetzt, dass Bakterien miteinander sprechen können. Sie nutzten Chemikalien als deren Worte, haben ein unwahrscheinlich komplexes chemisches Lexikon und wir beginnen gerade erst, es zu verstehen. Das erlaubt Bakterien natürlich, multizellulär zu sein. Mit dem Grundgedanken von TED bewerkstelligen sie Dinge zusammen, weil sie so etwas Signifikantes bewirken können. Fakt ist, dass Bakterien ein kollektives Verhalten haben und dass sie Aufgaben erfüllen, die sie alleine nie verwirklichen könnten wenn sie nur als Individuen agieren würden.

Ich hoffe an Sie heranbringen zu können, dass dies die Erfindung der Mehrzeller ist. Bakterien sind seit Milliarden von Jahren auf der Erde. Menschen - seit ein paar hunderttausend. Wir denken Bakterien haben die Regeln aufgestellt wie mehrzellige Organismen zu funktionieren haben. Wir glauben, wenn wir Bakterien beobachten, werden wir mehr Einsichten über komplexe Zellen im menschlichen Körper erlangen. Wir wissen, dass die Prinzipien und die Regeln, wenn wir sie in diesen primitiven Organismen entschlüsseln können, sich hoffentlich auf andere menschliche Krankheiten und Verhaltensmuster anwenden lassen. Ich hoffe, dass sie gelernt haben, dass Bakterien zwischen sich selbst und anderen unterscheiden können. Mit diesen zwei Molekülen können sie „ich“ und „du“ sagen. Das ist, nochmals, was wir tun sowohl auf molekularer Ebene aber auch nach außen hin. Jedoch denke ich über die molekularen Dinge nach.

Genau das passiert in Ihrem Körper. Es ist aber nicht so, dass Ihre Herzzellen und Ihre Nierenzellen jeden Tag durcheinandergebracht werden. Das liegt daran, weil es diese Chemie dazwischen gibt, die Moleküle, die sagen welche jede dieser Zellgruppen ist, Und was ihre Aufgabe sein sollte. Wie bereits erwähnt, denken wir, dass Bakterien das erfunden haben und wir haben nur etwas mehr Schnickschnack entwickelt. Aber alle diese Ideen sind in diesen einfachsten Systemen, die wir studieren können.

Letztlich ist nochmals zu betonen, dass es einen effektiven Nutzen gibt, und dass daraus die Anti-Quorum-Sensing Moleküle entstanden sind, die als neue therapeutische Maßnahmen entwickelt werden. Aber um mit etwas Werbung für all die guten und wunderbaren Bakterien, die auf der Erde leben zu enden, haben wir auch Pro-Quorum-Sensing Moleküle hergestellt. Wir haben also auf diese Systeme abgezielt, so dass die Moleküle besser arbeiten. Denken Sie daran! Sie haben 10 mal mehr bakterielle Zellen in oder auf Ihnen, die Sie gesund halten. Des Weiteren versuchen wir, die Unterhaltung etwas aufzupeppen, zwischen den Bakterien, die in Symbiose mit Ihnen leben, in der Hoffnung, Sie gesünder zu machen indem wir die Verständigung verbessern, so dass Bakterien Dinge, die wir wollen, gemeinsam erledigen, und damit besser, als wenn sie alleine wären.

Zum Schluss möchte ich Ihnen noch meine Gang in Princeton, New Jersey, zeigen. Alles was ich Ihnen heute erzählt habe, wurde von jemandem auf diesem Bild entdeckt. Ich hoffe, dass wenn sie neue Dinge erfahren, wie beispielsweise die Natur funktioniert -- Ich möchte nur ausdrücken, dass wenn Sie etwas in der Zeitung lesen oder einen Vortrag über etwas absurdes aus der Naturwissenschaft hören, es von einem Kind gemacht wurde. Wissenschaft wird von jungen Menschen gemacht. All diese Leute sind zwischen 20 und 30 Jahren alt und Sie sind der Motor, der die wissenschaftlichen Entdeckungen dieses Landes vorantreibt. Es ist eine tolle Altersgruppe, mit der ich zusammenarbeite. Ich werde immer älter und älter und Sie bleiben immer gleich alt aber es ist einfach ein erheiternder und zugleich verrückter Beruf. Ich möchte Ihnen für die Einlandung hierher danken. Es ist eine große Ehre für mich, zu dieser Konferenz kommen zu dürfen.

(Beifall)

Danke

(Beifall)