בוני באסלר על תקשורת בין חיידקים

חיידקים הם היצורים החיים הותיקים ביותר על פני האדמה. הם נמצאים כאן מליארדי שנים. הם יצורים חד-תאיים מיקרוסקופיים. הם מורכבים מתא אחד ויש להם תכונה מיוחדת - יש להם רק דנ"א אחד. יש להם מעט מאוד גנים ונתונים גנטיים שמקודדים את כל התכונות המאפיינות אותם. חיידקים מתקיימים ע"י צריכת חומרי מזון מסביבתם. הם מכפילים את גודלם, מתחלקים לשניים באמצע, תא אחד הופך לשניים. והתהליך חוזר שוב ושוב. הם רק גדלים ומתחלקים, גדלים ומתחלקים. חיים די משעממים. אבל, אני טוענת שלכל אחד מאיתנו יש קשר גומלין מופלא איתם.

אני יודעת שאתם חושבים על עצמכם כאנושיים, ואני די מסכימה איתכם. האיש הזה מייצג אדם כללי. העיגולים בתוכו הם התאים שמרכיבים את גופנו. קיימים כטריליון תאים אנושיים שהופכים אותנו למה שאנחנו, ומאפשרים לנו לעשות את הדברים שברצוננו לעשות. אבל, יש לנו 10 טריליון תאי חיידקים שנמצאים עלינו או בתוכנו בכל רגע ורגע. כלומר, בכל אדם ישנם פי 10 תאי חיידקים מאשר תאים אנושיים. וכמובן, הדנ"א הוא הגורם הקובע. הנה כל ה-G, T ,A-ים, ו-C-ים שמרכיבים את קודכם הגנטי, וקובעים את תכונותיכם המלבבות. יש לכם כ-30,000 גנים. כלומר, פי 100 יותר גנים של חיידקים, שממלאים תפקיד בכם ועליכם במשך כל חייכם. במקרה הטוב, אתם 10 אחוז אנושיים, אך קרוב לודאי שאתם אנושיים באחוז אחד בלבד, תלוי בצורת המדידה החביבה עליכם. אתם בודאי חושבים על עצמכם כעל אנושיים, אבל אני רואה אתכם כ-90 או 99 אחוז חיידקיים.

[צחוק]

החיידקים האלה הם לא רוכבים פאסיביים. הם חשובים ביותר ומאפשרים לנו לחיות. הם מכסים אותנו בשריון גוף בלתי נראה שמגן עלינו מפני הסביבה ושומר על בריאותנו. הם מעכלים את מזוננו, יוצרים עבורנו ויטמינים, ומלמדים את מערכת החיסון שלנו למנוע כניסה ממיקרובים רעים. הם עושים את כל הדברים הנפלאים האלה, שמסייעים לנו וחיוניים לחיינו, בלי לקבל כתבת שער בעיתון. אבל הם מקבלים פרסום רב מכיוון שהם עושים גם דברים נוראיים. ישנם סוגי חיידקים רבים על פני האדמה שכלל לא אמורים להתקרב אלינו, אחרת אנו נעשים חולים מאוד.

השאלה ששאלנו במעבדה, בין אם תרצו לחשוב על הדברים הטובים או הדברים הרעים שחיידקים עושים, השאלה היא - איך הם בכלל מסוגלים לעשות משהו? הם כל כך קטנטנים, צריך מיקרוסקופ כדי לראות אותם. החיים שלהם משעממים - רק גדילה וחלוקה, והם תמיד נחשבו ליצורים מתבודדים ואנטי חברתיים. וכך, נראה לנו שהם קטנים מכדי להשפיע על הסביבה אם הם פועלים כבודדים. רצינו לבדוק אם לחיידקים יש צורת חיים אחרת.

הרמז לכך הגיע מחיידק ימי, שנקרא ויבריו פישרי (Vibrio Fischeri). בשקופית זו אתם רואים אדם מהמעבדה שלי האוחז בבקבוק עם תרבית נוזלית של חיידק, חיידק יפהפה ולא מזיק שמגיע מהאוקיינוס, הנקרא ויבריו פישרי. לחיידק הזה יש תכונה מיוחדת - הוא מאיר; הוא יוצר ביו-לומינציה, כמו הגחליליות. לא עשינו לתאים שום דבר. צילמנו בחדר חשוך וזה מה שראינו.

למעשה, לא התעניינו באור שהחיידקים הפיקו, אלא בעיתוי בו הם הפיקו את האור. שמנו לב שכאשר החיידקים בודדים, כאשר הם נמצאים בתרחיף מהול, הם לא מאירים. אבל, כאשר מספר התאים מגיע לרמה מסויימת, כל החיידקים מדליקים את האור בו זמנית. השאלה שלנו היתה, איך חיידקים, היצורים הפרימיטיביים האלה, יכולים לדעת מתי הם לבד, ומתי הם בקהילה, ולהחליט לעשות דברים ביחד. הבנו שכדי לעשות זאת הם משוחחים זה עם זה. השיחה נערכת בשפה כימית.

זהו תא החיידק. כשהוא בודד הוא לא מפיק אור, אבל, הוא יוצר ומפריש מולקולות קטנות שניתן לחשוב עליהן כעל הורמונים, והן מיוצגות ע"י המשולשים האדומים. כאשר החיידק בודד המולקולות צפות הלאה ולא נוצר אור. אבל, כאשר החיידקים מתרבים ומכפילים את עצמם וכולם משתתפים בייצור המולקולות, מספר המולקולות החוץ-תאיות גדל ביחס שווה למספר התאים. כאשר מספר המולקולות מגיע לרמה מסויימת, הדבר מצביע לחיידקים על כמות השכנים בסביבה. הם מזהים את המולקולה וכל החיידקים מדליקים את האור בו זמנית. זוהי הדרך בה ביו-לומינציה עובדת - התאים משוחחים בעזרת מילים כימיות.

הסיבה לכך שהויבריו פישרי מבצע זאת נטועה בביולוגיה. נחזור לחיות באוקיינוס. ויבריו פישרי חי בתוך הדיונון הזה. זהו דיונון בובטייל הוואי. הוא שוכב על גבו, וניתן לראות 2 כיסים זוהרים בהם שוכנים תאי הויבריו פישרי. כאשר מספרם גבוה, המולקולות ההן גורמות להם להאיר. הדיונון מוכן לסבול את התעלולים שלהם כי הוא זקוק לאור שהם מפיקים. הם חיים בסימביוזה. הדיונון הזה חי ליד חופי הוואי במים רדודים בגובה הברכיים. הדיונון הוא חיה לילית. במשך היום הוא ישן קבור בחול. בלילה הוא יוצא לצוד. בלילות בהם הירח או הכוכבים מפיצים אור רב, אור זה חודר אל עומק המים בהם חי הדיונון, מכיוון שהם בגובה עשרות סנטימטרים ספורים בלבד. הדיונון פיתח תריס שיכול להפתח ולהסגר מעל איבר האור המיוחד שמאכלס את החיידקים. על גב הדיונון ישנם גלאים, שמאפשרים לו לחוש כמה אור ירח או כוכבים פוגע בגבו. הוא פותח וסוגר את התריס כך שכמות האור שמוחזרת מתחתיתו - שמיוצרת ע"י החיידקים, תתאים בדיוק לכמות האור שפוגעת בגבו, וכך הוא לא מטיל צל. הוא משתמש באור של החיידקים כתאורה-נגדית במתקן התחמקות מטורפים. כך, הטורפים לא יכולים לראות את צילו לחשב את מסלולו ולאכול אותו. זהו המפציץ החמקן של האוקיינוס.

[צחוק]

אבל לדיונון יש בעיה קשה. הוא מטופל בתרבית צפופה של חיידקים שהוא לא מסוגל לתחזק. ולכן, בכל בוקר כשהשמש זורחת כשהדיונון הולך לישון קבור בחול, הוא מפעיל משאבה המחוברת לשעון הביולוגי שלו, והמשאבה שואבת החוצה 95 אחוז מהחיידקים. עכשיו החיידקים מדוללים, אין מולקולות דמויות הורמון, ואין תאורה. אבל, לדיונון לא אכפת. הוא ישן בתוך החול. במשך היום, החיידקים מכפילים את עצמם, מפרישים את המולקולה, ומתחילים להאיר בלילה - בדיוק בזמן בו הדיונון זקוק לתאורה שלהם.

ראשית, הבנו איך החיידק הזה מאיר. לאחר מכן, השתמשנו בכלים של ביולוגיה מולקולרית כדי להבין את המנגנון. זהו, שוב, תא החיידק. ,גילינו שלויבריו פישרי יש חלבון, שמסומן ע"י המלבן האדום. זהו אנזים שיוצר את מולקולת ההורמון הקטנה - המשולש האדום. כשמספר התאים גדל, וכולם מפרישים את המולקולה אל הסביבה, יהיו בה מולקולות רבות. לחיידקים יש על קרום התא קולטן שמתאים למולקולה כמו מנעול למפתח. הם בדיוק כמו הקולטנים על קרומי התאים שלכם. כשהמולקולה מגיעה לרמה מסויימת, שאומרת משהו על מספר התאים - היא ננעלת בתוך הקולטן ונכנס מידע אל התאים שגורם להם להפעיל את ההתנהגות השיתופית של התאורה.

הדבר מעניין כי בעשור האחרון גילינו שזאת לא סתם אנומליה של החיידק המגוחך הזוהר בחשיכה החי באוקיינוס. לכל החיידקים יש מערכות כאלה. כלומר, כל החיידקים יכולים לשוחח זה עם זה. הם יוצרים מילים כימיות, מזהים אותן, ומפעילים התנהגויות קבוצתיות שמצליחות רק כאשר כל התאים פועלים יחדיו. תופעה זאת נקראת חישת-מניין. הם מצביעים הצבעות כימיות, ההצבעות נספרות וכולם מגיבים לתוצאת ההצבעה.

מה שחשוב לנושא שלנו היום הוא שאנו יודעים שלחיידקים יש מאות התנהגויות שמבוצעות בשיטות השיתופיות האלה. ההתנהגות החשובה ביותר עבורינו היא התקפה אלימה. אם מספר חיידקים נכנסים לגופכם, ומתחילים להפריש רעלים, לא תחושו בכך מכיוון שאתם ענקיים. אנו מבינים עתה שהם נכנסים, מחכים, מתחילים להתרבות, סופרים את עצמם בעזרת המולקולות הקטנות, מזהים מתי מספרם בדיוק מתאים כך שאם כל החיידקים יתקיפו ביחד הם יצליחו להתגבר על המארח הענק שלהם. החיידקים שולטים בפתוגניות בעזרת חישת-מניין. זאת הדרך בה הם פועלים.

בנוסף, בדקנו מהן המולקולות האלה - המשולשים האדומים שהופיעו בשקפים שלי. זוהי המולקולה של הויבריו פישרי. זוהי המילה באמצעותה הוא מדבר. התחלנו לבדוק חיידקים אחרים, וזהו רק מדגם חלקי של המולקולות שמצאנו. אני מקווה שאתם רואים שיש קשר ביניהן. החלק השמאלי של המולקולות זהה בכל המינים של החיידקים, אבל החלק הימני של המולקולות קצת שונה. דבר זה מעניק ייחודיות לשפה של כל מין חיידקים. כל מולקולה מתאימה אך ורק לקולטן של חיידק שותף. אלה הן שיחות פרטיות וחשאיות. שיחות אלה משמשות לתקשורת תוך-מינית. לכל חיידק יש מולקולה מסויימת שמהווה את השפה שלו, ומאפשרת לו לספור את חבריו.

בשלב זה התחלנו להבין שלחיידקים יש התנהגויות חברתיות. בנוסף, הבנו שרוב הזמן חיידקים חיים בצוותא עם מאות ואלפי מינים אחרים של חיידקים. שקף זה מתאר זאת. זהו העור שלכם. זוהי תמונת מיקרוסקופ של העור שלכם. הוא נראה בערך כך בכל מקום בגוף. אני מקווה שאתם מצליחים להבחין במגוון החיידקים שנמצא שם. חשבנו שאם מדובר על תקשורת בין חיידקים ועל ספירת השכנים שלך, לא מספיק לדבר רק עם בני מינך. חייבת להיות דרך לבצע מפקד תושבים גם של שאר החיידקים באוכלוסיה.

אז חזרנו לביולוגיה מולקולרית והתחלנו לחקור חיידקים שונים. וגילינו, שלמעשה החיידקים הם רב-לשוניים. לכולם יש שפה ייחודית פנימית - מולקולה שאומרת "אני". גילינו, שבמקביל קיימת מערכת נוספת שהיא כללית. קיים אנזים נוסף שיוצר אות נוסף ויש לו קולטן משלו. המולקולה הזו היא שפת המסחר של החיידקים. היא בשימוש של כל החיידקים השונים. היא שפת התקשורת הבין-מינית. החיידקים יכולים לספור כמה "אני" וכמה "אתה". הם מכניסים את המידע ומחליטים איזה משימות לבצע לפי תוצאות ההצבעה - מי הרוב ומי המיעוט באוכלוסיה הנתונה.

ושוב, פנינו לכימיה, וגילינו את המולקולה הכללית - האליפסות הוורודות בשקף האחרון. זוהי מולקולה מאוד קטנה בעלת 5 פחמנים. למדנו דבר חשוב - אותו אנזים קיים בכל החיידקים והוא יוצר בדיוק את אותה המולקולה. וכך כולם משתמשים במולקולה הזו עבור תקשורת בין-מינית. זוהי האספרנטו של החיידקים.

[צחוק]

בשלב זה, כבר הבנו שחיידקים יכולים לתקשר בעזרת שפה כימית זו. והתחלנו לחשוב שאולי קיים גם יישום שימושי לידע זה. סיפרתי לכם שלחיידקים יש התנהגויות חברתיות שונות ומשונות. הם מתקשרים בעזרת המולקולות. הזכרתי שאחד הדברים החשובים שהם עושים הוא ליזום פתוגניות בעזרת חישת-מניין. חשבנו, מה יקרה אם נמנע מהחיידקים לדבר או לשמוע? האם נוכל למצוא סוגים חדשים של אנטיביוטיקה?

אתם ודאי כבר יודעים שהאנטיביוטיקה אוזלת לנו. בימינו, החיידקים פיתחו עמידות רב-תרופתית. וזאת בגלל שכל האנטיביוטיקה שאנו משתמשים בה הורגת חיידקים. היא מפוצצת את קרום החיידק, או מונעת מהחיידק לשכפל את הדנ"א שלו. אנטיביוטיקה מסורתית הורגת חיידקים וכך נותרים המוטנטים העמידים. וכעת, כמובן, קיימת בעיה עולמית של מחלות זיהומיות. חשבנו, מה יקרה אם נצליח לבצע לחיידקים שינוי התנהגותי? אם נמנע מהחיידקים לדבר, או לספור, וכך נמנע מהם לפתוח בהתקפה אלימה?

וזה בדיוק מה שעשינו בעזרת שתי אסטרטגיות. בראשונה, התמקדנו במערכת התקשורת התוך-מינית. יצרנו מולקולות דומות לאמיתיות שראיתם אבל עם הבדל קטן - הן ננעלות בקולטנים ומונעות זיהוי של המולקולות האמיתיות. ע"י התמקדות במערכת האדומה אנו יכולים ליצור מולקולות נוגדות חישת-מניין יחודיות לחיידק או מחלה מסויימים. עשינו דבר זהה במערכת הוורודה. שינינו קצת את המולקולה האוניברסלית וכך יצרנו תרופות שמעכבות את מערכת התקשורת הבין-מינית. אנו מקווים שהן ישמשו כאנטיביוטיקה רחבת טווח שתפעל נגד כל החיידקים.

לסיום אראה לכם את האסטרטגיה. כאן אני משתמשת במולקולה הבין-מינית, אבל הלוגיקה זהה. כאשר החיידק נכנס אל החיה, במקרה הזה - עכבר, הוא לא יוזם מתקפה אלימה באופן מיידי. הוא נכנס, מתרבה ומתחיל להפריש את מולקולות חישת-המנין שלו. הוא מזהה מתי יש מספיק חיידקים, כולם יוזמים התקפה, והחיה מתה. אנחנו הדבקנו את החיה בזיהום ונתנו לה במקביל מולקולות נוגדות חישת-מניין - מולקולות שנראות כמו האמיתיות אבל שונות קצת כמו שניתן לראות בשקופית. גילינו שאם מדביקים את החיה בחיידק גורם מחלה העמיד למגוון תרופות ובאותו הזמן נותנים לה את המולקולה הנוגדת חישת-מניין, החיה שורדת.

אנו חושבים שזהו הדור החדש של אנטיביוטיקה והוא יוכל לעזור לנו להתגבר על בעיית העמידות. ולסיכום, חיידקים יכולים לתקשר זה עם זה, המילים שלהם הן חומרים כימיים. יש להם מילון כימי מורכב ביותר, שאנחנו רק מתחילים לגלות. דבר זה מאפשר לחיידקים להיות רב-תאיים. וברוח של TED - הם משתפים פעולה כדי לחולל שינוי. לחיידקים יש התנהגויות שיתופיות והם יכולים לבצע משימות שלא היו יכולים לבצע אם היו פועלים כיחידים.

אני מקווה שאוכל להמשיך ולטעון שהחיידקים המציאו את הרב-תאיות. החיידקים קיימים מיליארדי שנים. האנשים - רק כמה מאות אלפים. אנו חושבים שהחיידקים קבעו את הכללים של דרך הפעולה של ארגון רב תאי. אנו חושבים שמחקר של חיידקים יתן לנו תובנות לגבי רב-תאיות בגוף האדם. אנו מקווים שאם נוכל להבין את העקרונות והכללים ביצורים הפרימיטיביים האלה, נוכל ליישם אותם גם על מחלות והתנהגויות אנושיות. אני מקווה שלמדתם שחיידקים יכולים להבחין בין העצמי והאחר. בעזרת 2 המולקולות הם יכולים להגיד "אני" ו"אתה". וכמובן שגם אנו עושים זאת, גם בדרך מולקולרית, וגם בסביבתנו החיצונית. אני מטפלת בחלק המולקולרי.

זה בדיוק מה שקורה בגופכם. תאי הלב ותאי הכליה שלכם לא מתערבבים בזכות הכימיה של המולקולות שאומרות לכל קבוצת תאים מי היא ומה תפקידה. אנו חושבים שהחיידקים המציאו זאת, ואתם רק פיתחתם עוד קצת רעש וצלצולים, אך כל הרעיונות נמצאים במערכות הפשוטות האלה

שאנו יכולים לחקור. ובחלק המעשי - יצרנו מולקולות נוגדות חישת-מניין שמפותחות כאמצעי ריפוי חדשים. במקביל, לטובת החיידקים הטובים והמופלאים שחיים על פני האדמה, יצרנו גם מולקולות תומכות חישת-מניין שמשפרות את תיפקודם. יש בתוככם או עליכם יותר מפי 10 חיידקים ששומרים על בריאותכם. אנו מנסים להמריץ את השיחה של החיידקים שחיים בהדדיות איתכם, כדי לשפר את בריאותכם. אם נשפר את השיחות החיידקים יוכלו לבצע את מבוקשנו בצורה טובה יותר.

ולבסוף, ברצוני להציג בפניכם את החבורה שלי מפרינסטון, ניו ג'רסי. כל מה שהזכרתי בהרצאה, התגלה ע"י מישהו מהתמונה הזאת. כאשר אתם לומדים דברים כמו איך עולם הטבע פועל, כאשר אתם קוראים בעיתון או שומעים דברים מגוחכים על עולם הטבע, תזכרו שהם נעשו ע"י ילד. המדע מתבצע ע"י אנשים אלה. כל החבר'ה בתמונה הם בני 20-30, והם המנוע שמניע את תגליות המדע. התמזל מזלי לעבוד איתם. אני מתבגרת והם נשארים באותו גיל וזוהי עבודה נפלאה ומענגת. תודה על ההזמנה. נהנתי מאוד להשתתף בועידה הזו.

[מחיאות כפיים]

תודה.

[מחיאות כפיים]