Bonnie Bassler sur la manière de communiquer des bactéries

Les bactéries sont les plus vieux organismes vivants sur Terre. Elles sont ici depuis des milliards d'années, et sont des organismes microscopiques unicellulaires. Donc elles sont une cellule et possèdent cette propriété particulière de ne contenir qu'un seul morceau d'ADN. Elles ont très peu de gènes, et d'information génétique pour encoder tous les caractéristiques qu'elles transportent. La façon de vivre des bactéries consiste à consommer les nutriments présents dans l'environnement, jusqu'à atteindre le double de leur taille d'origine, elles se coupent alors en deux, et une cellule devient deux cellules, et ainsi de suite. Elles se contentent de grandir et de se diviser, grandir et se diviser -- donc une vie plutôt ennuyeuse, cependant, j'argumenterais qu'il existe une stupéfiante interaction entre ces créatures.

Je sais que vous vous pensez humains, et je pense à peu près la même chose de vous. Cet homme est censé représenter un être humain générique. et tous les cercles dans cet homme sont toutes les cellules qui constituent votre corps. Il y a environ un trilliard de cellules humaines qui font que chacun d'entre nous est ce qu'il est et nous donnent la possibilité de faire toutes les choses que nous faisons, mais vous avez 10 trillions de cellules bactériennes en vous ou sur vous à chaque instant de votre vie. Donc, 10 fois plus de cellules bactériennes. que de cellules humaines sur un être humain. Et bien sûr c'est l'ADN qui compte, donc voici tous les A, T, G et C qui constituent votre code génétique, et vous donnent toutes vos charmantes caractéristiques. Vous avez environ 30 000 gènes. Cependant, il se trouve que vous avez 100 fois plus de gènes bactériens qui jouent un rôle en vous ou sur vous tout au long de votre vie. Au mieux, vous êtes 10 pour cent humain, mais vous êtes plus vraisemblablement environ un pour cent humain, selon lequel parmi ces métriques vous préférez. Je sais que vous pensez de vous même comme des être humains, mais je pense que vous êtes 90 ou 99 pour cent bactériens.

(Rires)

Ces bactéries sont nos cavaliers passifs, elles sont extrêmement importantes, elles nous gardent en vie. Elles nous protègent dans une armure invisible qui tient à l'écart les risques de notre environnement pour nous maintenir en bonne santé. Elles digèrent notre nourriture, elles fabriquent nos vitamines, en fait, elles enseignent à votre système immunitaire comment se protéger des microbes nocifs. Donc elles font toutes ces choses incroyables qui nous aident et sont vitales pour nous maintenir en vie, et on ne leur accorde aucun crédit pour ça. Mais elles reçoivent beaucoup d'attention pour toutes les choses terribles qu'elles font. Donc, il existe tout un tas de bactéries sur Terre qui n'ont rien à faire en vous ou sur vous à aucun instant, et si elles y sont, elles vous rendent incroyablement malades.

Et donc, la question pour mon laboratoire n'est pas de penser à toutes les bonnes choses que les bactéries font, ou toutes les mauvaises choses qu'elles font. La question que nous nous sommes posée est : comment pourraient-elles faire quoi que ce soit ? Je veux dire, elles sont incroyablement petites, un microscope est nécessaire pour en voir une. Elles vivent cette espèce de vie ennuyeuse où elles grandissent et se divisent, et elles ont toujours été considérées comme des organismes solitaires asociaux. Et donc il nous semblait qu'elles sont tout simplement trop petites pour avoir un impact sur l'environnement si elles agissent simplement en tant qu'individus. Et donc nous avons chercher à savoir s'il ne pouvait exister pour les bactéries une autre manière de vivre.

L'indice est venu d'une autre bactérie marine une bactérie appelée Vibrio fischeri. Ce que vous voyez sur ce transparent est une personne de mon laboratoire tenant dans un flacon une culture liquide d'une bactérie, une bactérie inoffensive et belle venant de l'océan, appelée Vibrio fischeri. Cette bactérie a la propriété particulière d'émettre de la lumière, donc elle produit de la bioluminescence, comme les lucioles produisent de la lumière. Nous ne faisons rien aux cellules ici. Nous avons seulement pris la photographie en éteignant les lumières dans la pièce, et ceci est ce que nous voyons.

Ce qui nous intéressait réellement n'était pas que les bactéries émettaient de la lumière, mais quand les bactéries émettaient la lumière. Nous avons remarqué que lorsque les bactéries étaient seules, c'est-à-dire en suspension diluée, elles n'émettaient pas de lumière. Mais dès que le nombre de cellules atteignait un certain seuil toutes les bactéries allumaient leur lumière simultanément. La question que nous avions est comment des bactéries, ces organismes primitifs, peuvent-elles faire la différence entre les moments où elles sont seules, et les moments où elles sont en communauté, et font alors toutes quelque chose ensemble ? Ce que nous nous sommes rendus compte c'est qu'elles se parlent entre elles, et elles parlent avec un langage chimique.

Ceci est supposé être la cellule de ma bactérie. Lorsqu'elle est seule, elle n'émet pas de lumière. Mais elle produit et sécrète de petites molécules que vous vous pouvez considérer être des hormones, représentées par ces triangles rouges, et lorsque les bactéries sont seules les molécules s'échappent et aucune lumière n'est émise. Mais lorsque les bactéries grandissent et se dédoublent et qu'elles participent à la production de ces molécules, la molécule -- la quantité extracellulaire de cette molécule croît proportionnellement au nombre de cellules. Dès que la molécule atteint une certaine quantité cela indique aux bactéries combien de voisins il y a, elles reconnaissent cette molécule et toutes les bactéries allument la lumière en simultané. C'est ainsi que la bioluminescence fonctionne -- elles parlent avec ces mots chimiques.

La raison pour laquelle Vibrio fischeri fait cela provient de la biologie. Encore un coup de pub pour les animaux de l'océan, Vibrio fischeri vit dans ce calamar. Ce que vous voyez est un calamar bobtail hawaïen, qui a été retourné sur son dos, et ce que j'espère vous pouvez voir, sont ces deux lobes luisants qui abritent les cellules Vibrio fischeri, elles vivent là dedans en grand nombre de cellules cette molécule est là, et elles émettent de la lumière. La raison pour laquelle le calamar est prêt à supporter ces petites pestes est parce qu'il veut cette lumière. Si cette symbiose fonctionne c'est parce que ce petit calamar vit juste au large des côtes d'Hawaï, dans une eau peu profonde. Le calamar est nocturne, donc pendant la journée il s'enterre dans le sable et dort, mais la nuit il doit sortir pour aller chasser. Les nuits brillantes, lorsqu'il y a beaucoup de lumière de la lune ou des étoiles cette lumière peut pénétrer la profondeur de l'eau où vit le calamar, puisqu'il s'agit seulement de quelques pieds de profondeur. Ce que le calamar a développé est un obturateur et il peut ouvrir ou fermer cet organe spécialisé dans la lumière où vivent les bactéries. Il a également des détecteurs sur son dos pour mesurer la quantité de lumière des étoiles ou de la lune qui le frappe dans le dos. Et il ouvre et ferme l'obturateur de façon à ce que la quantité de lumière quittant la partie inférieure -- produite par la bactérie -- corresponde exactement à la quantité de lumière qui frappe le dos du calamar, pour que le calamar ne produise pas d'ombre. En fait, il utilise la lumière venant des bactéries pour se contre-illuminer dans un mécanisme anti-prédateur de façon à ce que les prédateurs ne puissent pas voir son ombre, calculer sa trajectoire, et le manger. C'est une sorte de bombardier furtif des océans.

(Rires)

Mais alors vous vous dites, le calamar a un problème terrible parce qu'il a cette culture malsaine de bactéries qu'il ne peut pas conserver. Ainsi, ce qui se passe est que chaque matin lorsque le soleil se lève le calamar retourne se coucher, il s'enterre dans le sable, et il a une pompe attachée à son rythme circadien, et lorsque le soleil se lève, il expulse environ 95 pour cent des bactéries. Maintenant les bactéries sont diluées, cette petite molécule hormonale est partie, donc elles n'émettent plus de lumière -- mais bien sûr le calamar s'en moque. Il dort dans le sable. Et alors que la journée suit son cours les bactéries se dédoublent, elles libèrent la molécule, et la lumière s'allume la nuit, exactement comme le calamar le veut.

Tout d'abord nous avons montré comment cette bactérie fait ceci, mais ensuite nous avons emprunté les outils de biologie moléculaire pour comprendre exactement quel est ce mécanisme. Et ce que nous avons trouvé -- il s'agit, à nouveau, de ma cellule bactérienne -- est que Vibrio fischeri a une protéine -- représentée par la boîte rouge -- une enzyme qui produit cette petite molécule hormonale -- le triangle rouge. Et alors lorsque les cellules grandissent, elles libèrent toutes cette molécule dans l'environnement, donc il y a beaucoup de molécules là. Et les bactéries ont également un récepteur sur leur surface cellulaire qui a la forme d'une serrure et dont la clé est cette molécule. Ceux-ci sont comme les récepteurs sur la surface de vos cellules. Dès que le nombre de molécules atteint un certain seuil -- et indique quelque chose sur le nombre de cellules -- cela s'enclenche dans ce récepteur et une information arrive dans les cellules disant aux cellules d'activer ce comportement collectif d'émission de lumière.

C'est intéressant car dans la décennie précédente nous avons trouvé qu'il ne s'agit pas d'une quelconque anomalie de cette bactérie ridicule qui brille dans le noir et vit dans l'océan -- toutes les bactéries ont des systèmes comme celui-ci. Donc maintenant nous savons que toutes les bactéries peuvent se parler entre elles. Elles produisent ces mots chimiques, elles reconnaissent ces mots, et elles activent des comportements de groupe qui ne réussissent que lorsque toutes les cellules participent à l'unisson. Nous lui avons donné un nom élégant, nous l'appelons la détection du quorum. Elles votent avec ces votes chimiques, le vote est compté, et alors tout le monde répond au vote.

Ce qui est important pour la présentation d'aujourd'hui est que nous savons qu'il y a des centaines de comportements que les bactéries exécutent de ces manières collectives. Mais celui qui est probablement le plus important pour vous est la virulence. Ce n'est pas comme si un couple de bactéries entrait en vous et commençait à secréter des toxines -- vous êtes énormes, ça n'aurait aucun effet sur vous. Vous êtes immenses. Ce qu'elles font, nous le savons maintenant, est qu'elles entrent en vous, elles attendent, elles commencent à grandir, elles se comptent mutuellement avec ces petites molécules, et elles reconnaissent quand elles ont le bon nombre de cellules que si toutes les bactéries lancent leur attaque virulente ensemble, elles arriveront à vaincre un hôte énorme. Les bactéries contrôlent toujours la pathogénicité avec la détection du quorum. C'est comme ça que ça marche.

Nous sommes également allé voir ce que sont ces molécules -- les triangles rouges sur mes transparents précédents. Ceci est la molécule Vibrio fischeri. Ceci est le mot avec lequel elle parle. Alors, nous avons commencé à nous intéresser à d'autres bactéries, et celles-ci sont juste une poignée des molécules que nous avons découvertes. Ce que j'espère vous pouvez voir est que les molécules sont apparentées. La partie gauche de la molécule est identique dans chaque espèce de bactéries. Mais la partie droite de la molécule est un peu différente dans chaque espèce. Celle-ci confère des spécificités particulières aux espèces à ces langages. Chaque molécule correspond au récepteur de son partenaire et à aucun autre. Donc il y a ces conversations secrètes, privées. Ces conversations sont pour la communication intra espèce. Chaque bactérie utilise une molécule particulière qui est son langage, qui lui permet de compter ses semblables.

Arrivé là nous pensions que nous commencions à comprendre que les bactéries ont des comportements sociaux. Mais ce que nous pensions vraiment est que la plupart du temps les bactéries ne vivent pas par elles-mêmes, elles vivent dans des mixtures incroyables, avec des centaines de milliers d'autres espèces de bactéries. Cela est représenté sur ce transparent. Ceci est votre peau. Il s'agit juste d'une image -- un micrographe de votre peau. Partout sur votre corps, ça ressemble plus ou moins à ça. et ce que j'espère vous pouvez voir est qu'il y a là toutes sortes de bactéries. Et donc nous nous sommes dit que s'il s'agit vraiment de communication entre les bactéries, et s'il s'agit de compter vos voisins, il n'est pas suffisant de ne pouvoir parler qu'au sein de votre espèce. Il doit y avoir un moyen de dénombrer le reste des bactéries dans la population.

Alors nous sommes revenus à la biologie moléculaire et nous avons commencé à étudier différentes bactéries, et ce que nous avons trouvé est que en fait, les bactéries sont multilingues. Elles ont toutes un système spécifique à l'espèce -- elles ont une molécule qui dit "moi." Mais aussi, en parallèle, un second système que nous avons découvert, qui est générique. Donc, elles ont un second enzyme qui produit un second signal et qui a son propre récepteur, et cette molécule est le langage d'échange des bactéries. Il est utilisé par toutes les bactéries et il s'agit du langage de la communication inter-espèces. Ce qui se passe est que les bactéries sont capables de compter combien de moi et combien de toi. Elles récupèrent cette information, et elles décident quelle tâche elles vont accomplir selon qui est dans la minorité et qui est dans la majorité d'une population donnée.

Puis, nous nous sommes à nouveau tournés vers la chimie, et nous avons découvert ce qu'est la molécule générique -- les ovales roses sur mon dernier transparent, c'est ça. C'est une très petite molécule à cinq carbones. Ce qui est important est que nous avons appris que chaque bactérie a exactement la même enzyme et produit exactement la même molécule. Donc elles utilisent toutes cette molécule pour la communication inter-espèces. C'est l'Esperanto bactérien.

(Rires)

Arrivés à ce stade, nous avons appris que les bactéries peuvent se parler entre elles avec ce langage chimique. Mais ce que nous avons commencé à penser est qu'il y a peut-être quelque chose de pratique que nous pouvons également réaliser. Je vous ai dit que les bactéries ont tous ces comportements sociaux, elles communiquent avec ces molécules. Bien sûr, je vous ai également dit qu'une des choses importantes qu'elles font est d'initier la pathogénicité via la détection du quorum. Nous pensions, et si nous faisions en sorte que ces bactéries ne puissent ni se parler, ni s'entendre ? Ne pourrait-ce être de nouvelles formes d'antibiotiques ?

Bien sûr, vous avez déjà entendu et vous savez déjà que nous n'avons presque plus d'antibiotiques. Les bactéries sont maintenant multirésistantes aux médicaments, la raison est que tous les antibiotiques que nous utilisons tuent les bactéries. Elles expulsent la membrane bactérienne, elles font en sorte que la bactérie ne puisse répliquer sont ADN. Nous tuons les bactéries avec des antibiotiques traditionnels et cela sélectionne des mutants résistants. Et donc maintenant, nous avons évidemment ce problème global de maladies infectieuses. Nous pensions, et si nous pouvions faire quelque chose comme des modifications de comportement, simplement pour faire en sorte que ces bactéries ne puissent ni parler, ni compter, et ne sachent pas lancer une attaque virulente.

Et donc c'est exactement ce que nous avons fait, nous avons choisit deux stratégies. La première consiste à cibler le système de communication inter-espèces. Nous avons créé des molécules qui ressemblent aux vraies molécules -- que vous avez vues -- mais elles sont un peu différentes. Et donc, elles s'attachent à ces récepteurs, et elles empêchent la reconnaissance de la vraie molécule. En ciblant le système rouge, ce que nous sommes capable de faire est de créer des molécules anti-détection du quorum spécifiques à une espèce ou à une maladie. Nous avons également fait la même chose avec le système rose. Nous avons pris cette molécule universelle et nous l'avons retournée un peu pour en faire des antagonistes du système de communication inter-espèces. L'espoir est que celles-ci seront utilisés comme antibiotiques à large spectre. qui agiront contre toutes les bactéries.

Pour finir je vais vous montrer la stratégie. Dans celle-ci j'utilise seulement la molécule inter-espèces. mais la logique est exactement la même. Vous savez que lorsque la bactérie entre dans l'animal, dans ce cas, une souris, Elle n'initialise pas la virulence immédiatement. Elle entre, elle commence à grandir, elle commence à secréter ses molécules de la détection du quorum. Elle se rend compte lorsqu'il y a suffisamment de bactéries qu'il est temps de lancer leur attaque, et l'animal meurt. Nous avons été capables de donner ces infections virulentes, mais nous les avons données conjointement avec nos molécules anti-détection du quorum -- ces molécules ressemblent aux vraies molécules, mais elles sont un peu différentes, ce que j'ai montré sur ce transparent. Nous savons maintenant que si nous traitons l'animal avec une bactérie pathogène -- une bactérie pathogène multirésistante aux médicaments -- et qu'au même instant nous lui donnons notre molécule anti-détection du quorum l'animal survit.

Nous pensons qu'il s'agit de la prochaine génération d'antibiotiques et qu'il devrait nous permettre de contourner, au moins au début, ce gros problème de résistance. Ce que j'espère vous pensez, est que les bactéries peuvent parler entre elles, elles utilisent des éléments chimiques comme mots, elles ont un lexique chimique incroyablement compliqué, que nous commençons tout juste à comprendre. Bien sûr ce que cela permet aux bactéries c'est d'être multicellulaires. Donc dans l'esprit de TED elles font des choses ensemble car c'est ce qui fait la différence. Ce qui se passe c'est que les bactéries ont ces comportements collectifs, et elles peuvent effectuer des tâches qu'elles ne pourraient jamais accomplir si elles agissaient simplement en tant qu'individus.

J'espère pouvoir vous convaincre qu'il s'agit de l'invention de la multicellularité. Les bactéries sont sur Terre depuis des milliards d'années. Les humains -- un couple de centaines de milliers. Nous pensons que les bactéries ont établi les règles de comment l'organisation multicellulaire fonctionne. Nous pensons, qu'en étudiant les bactéries, nous serons capables d'avoir une aperçu de la multicellularité dans le corps humain. Nous savons que les principes et les règles, si nous pouvons les comprendre dans ces sortes d'organismes primitifs, l'espoir est qu'ils seront appliqués à d'autres maladies humaines et également des comportements humains. J'espère que vous avez compris que les bactéries peuvent se distinguer les unes des autres. En utilisant ces deux molécules elles peuvent dire "moi" et elles peuvent dire "toi". Encore une fois c'est ce que nous faisons, à la fois de manière moléculaire, et aussi d'une manière extérieure, mais je pense à tous les trucs moléculaires.

C'est exactement ce qui se passe dans votre corps. Ce n'est pas comme si vos cellules cardiaques et vos cellules rénales se trouvaient mêlées tous les jours, et c'est parce qu'il y a toute cette chimie qui se passe, ces molécules qui disent qui sont tous ces groupes de cellules, et quelle doit être leurs tâches. A nouveau, nous pensons que ceux sont les bactéries qui ont inventé ça, et vous avez uniquement évolué quelques caractéristiques supplémentaires, mais toutes les idées sont dans ces systèmes simples que nous pouvons étudier.

La chose finale est, juste pour encore réitérer qu'il y a cette partie pratique, que nous avons donc fait ces molécules anti-détection du quorum qui sont développées en tant que nouveaux types de thérapeutiques. Mais alors, pour finir avec un coup de pub envers toutes les bonnes et miraculeuses bactéries qui vivent sur Terre, nous avons aussi fait des molécules qui facilitent la détection du quorum. Donc, nous avons ciblé ces systèmes pour faire en sorte que les molécules soient plus efficaces. Souvenez-vous, vous avez ces 10 fois ou plus de cellules bactériennes en vous ou sur vous, qui vous gardent en bonne santé. Ce que nous essayons également de faire est de renforcer la conversation des bactéries qui vivent comme des mutualistes avec vous, dans l'espoir de vous rendre plus sain, en améliorant ces conversations, afin que les bactéries puissent faire les choses que nous voulons qu'elles fassent mieux que si elles étaient toutes seules.

Finalement, je voulais vous montrer ceci est mon équipe à Princeton, New Jersey. Tout ce que je vous ai dit à été découvert par quelqu'un sur cette photo. J'espère que lorsque vous apprenez des choses, par exemple comment le monde naturel fonctionne -- Je veux juste dire qu'à chaque fois que vous lisez quelque chose dans le journal ou que vous entendez parler de quelque choses de ridicule dans le monde naturel il a été fait par un enfant. La science est faite par ce groupe démographique. Toutes ces personnes ont entre 20 et 30 ans, et ils sont le moteur qui fait tourner la découverte scientifique dans ce pays. C'est une vraie chance de travailler avec ce groupe démographique. Je n'arrête pas de vieillir et vieillir et ils ont toujours le même âge, et c'est juste un travail extrêmement réjouissant. Je veux vous remercier de m'avoir inviter ici. C'est un vrai plaisir pour moi que d'être venue à cette conférence.

(Applaudissements)

Merci.

(Applaudissements)