Bonnie Bassler a baktériumok kommunikációjáról

A baktériumok a Föld legősibb élő szervezetei. Évmilliók óta itt vannak, ezek az egysejtű mikroszkopikus szervezetek. Szóval ők egyetlen sejt, és a különlegességük, hogy csak egyetlen darab DNS-ük van. Nagyon kevés génjük van, és kevés genetikai információjuk, ami a tulajdonságaikat kódolja. A baktériumok abból élnek, hogy a környezetből tápanyagot vesznek magukhoz, méretük duplájára nőnek, középen kettévágják magukat, és egy sejtből kettő lesz, és így tovább, és így tovább. Csak nőnek és osztódnak, nőnek és osztódnak -- elég unalmas életük van, kivéve, hogy én arra szeretnék kilyukadni, hogy mi elképesztő kapcsolatban állunk ezekkel a lényekkel.

Tudom, ti emberként gondoltok magatokra, én viszont valahogy így. Ez az ember akarja ábrázolni a tipikus emberi lényt, a körök az emberben pedig a sejtek, amikből a testünk felépül. Mintegy trillió emberi sejt, amik azzá tesznek minket, akik vagyunk és amik miatt tehetjük, amit teszünk, ugyanakkor tíztrillió bakteriális sejt van bennünk vagy rajtunk életünk bármely pillanatában. Azaz tíszer annyi baktériumsejt él egy emberen, mint amennyi emberi sejtje van. És persze a DNS az, ami számít, úgyhogy itt van az összes A, T, G és C, amiből a génkészletünk áll, és adja minden bájos vonásunkat. Van kábé 30 000 génünk. És kiderült, hogy százszor annyi baktériumgén van bennünk-rajtunk ami szerepet játszik az életünkben. Legjobb esetben is csak 10%ban vagyunk emberek, de inkább csak egy százalékban, amelyik mértékegység szerint épp jobban tetszik. Tudom, te emberi lényként gondolsz magadra, de én 90 vagy 99 %-ban bakteriálisnak látlak.

(nevetés)

Ezek a baktériumok nem potyautasok, hanem hihetetlen fontosak - ők tartanak életben minket. Láthatatlan páncéllal fedik testünket, ami kirekeszti a környezeti ártalmakat, hogy egészségesek maradhassunk. Megemésztik az ételeinket, vitaminokat készítenek, sőt, megtanítják az immunrendszerünket, hogy kívül tartsa a rossz mikrobákat. Tehát mindezt a sok csodás dolgot művelik, ami segít rajtunk és életben tart minket, ám ezért nemigen kapnak nagy sajtó visszahangot. Azért viszont sokat sajtózzák őket, hogy mennyi szörnyűséget okoznak. Van ugye mindenféle baktérium a Földön, aminek semmi keresnivalója bennünk vagy rajtunk, és ha mégis, hihetetlenül betegek leszünk tőlük.

Ígyhát laborom számára az a kérdés, hogy mire akarunk gondolni: minden jó vagy minden rossz dologra amit a baktériumok csinálnak? A kérdésünk az volt, hogy hogyan csinálhatnak bármit is egyátalán? Úgy értem, olyan hihetetlen aprók, mikroszkópra van szükség, hogy egyáltalán lássuk őket. Élik az unalmas kis életüket, nőnek és osztódnak, és mindig aszociális, visszahúzódó élőlényként tekintettünk rájuk. Úgy tűnt, túl kicsik ahhoz, hogy hatással lehessenek a környezetre, ha csupán egyénként cselekszenek. Szóval azon akartunk gondolkodni nem lehetne-e más módja annak ahogy a baktériumok élnek.

Ehhez egy másik tengeri baktérium adta az ötletet, amit Vibrio fischerinek hívnak. Amit ezen a dián láttok, az csak valaki a laborból, egy baktériummal teli lombikot tartva, az ártalmatlan, gyönyörű tengeri baktériummal, a Vibrio fischerivel. A különleges tulajdonsága, hogy fényt bocsát ki magából, azaz biolumineszcens, mint a szentjánosbogár. Itt nem csinálunk semmit a sejtekkel, csak lekapcsoltuk a lámpát a szobában, és akkor ezt látjuk.

Ami leginkább megragadott minket, nem az, hogy egyáltalán fényt csináltak, hanem hogy mikor csináltak fényt. Azt vettük észre, hogy amikor a baktériumok egyedül voltak, azaz alacsony sűrűségű oldatban, olyankor nem világítottak. De amint egy bizonyos sejtszámot elértek, minden baktérium egyszerre kapcsolta fel a fényt. A kérdésünk az volt, hogyan tudják a baktériumok, ezek a primitív organizmusok, megkülönböztetni, mikor vannak egyedül, illetve mikor vannak közösségben, és akkor hogyan csinálhatnak valamit együtt? Arra jöttünk rá, hogy tulajdonképpen beszélgetnek egymással, mégpedig vegyi nyelven beszélgetnek.

Ez lenne az én bakteriális sejtem. Ha egyedül van, nem csinál fényt. Viszont apró molekulákat készít és választ ki magából, amikre gondolhatunk hormonként. Ezek azok a piros háromszögek, és amikor a baktérium egyedül van, ezek a molekulák egyszerűen elsordódnak, így nincs fény. De ahogy a baktériumok nőnek és kettőződnek, mind részt vesznek a molekulák készítésében, a molekula pedig, annak a sejtenkívüli tömege megnő a sejtszámhoz képest. És amikor a molekula elér bizonyos tömeget, ez elárulja a baktériumoknak, mennyien vannak szomszédok, felismerik a molekulát, és mindannyian egyszerre bekapcsolják a fényt. Így működik a biolumineszcencia -- vegyi szavakkal kommunikálnak.

Az ok, amiért a Vibrio fischeri ezt csinálja, biológiai. Megint, újabb pont az óceán faunájának, a Vibrio fischeri ebben a tintahalban él. Itt a hawaii rövidfarkú tintahalat láthatjátok. amit a hátára fordítottak, és amit remélem jól látni, ez a két fénylő lebeny amiben a Vibrio fischeri sejtek helyezkednek el ott élnek nagy sejtszámban, ott a molekula, és fényt csinálnak. A tintahal azért hajlandő megtűrni ezeket a gyanús alakokat, mert kell neki az a fény. A szimbiózisuk úgy működik, hogy a kis tintahal a hawaii partok mentén él, ilyen sekély, térdig érő vízben. A tintahal éjszakai állat, így napközben a homokba ássa magát és alszik, de éjjel elő kell bújnia, hogy vadásszon. Világos éjszakákon, amikor sok csillag- vagy holdfény van, a fény áthatol a sekély vízen, amiben a tintahal él, hiszen csak pár lábnyi mélységről beszélünk. Amit a tintahal kifejlesztett, az egy redőny, amit tetszése szerint nyit vagy zár a baktériumot tartalmazó fényszerv felett. Aztán vannak érzékelők a hátán, amivel tudja mennyi csillagfény, vagy holdvilág éri a hátát. És úgy nyitja-zárja a redőnyt, hogy az alulról kivilágító fény -- amit a baktérium termel -- pont annyi, amennyi fény a tintahal hátát éri, így a tintahal nem vet árnyékot. A baktérium fényét valójában arra használja, hogy ellenvilágítsa magát egy készülékkel, hogy a ragadozók ne láthassák az árnyékát, ne számolhassák ki a helyzetét és ne ehessék meg. Olyan, mint az óceán lopakodó bombázója.

(nevetés)

De ha belegondolunk, a tintahalnak van egy borzalmas problémája, mert van ez a haldokló, sűrű baktériumkultúrája, amit nem tud fenntartani. Ezért minden reggel, amikor a Nap felkel, a tintahal visszamegy aludni, beássa magát a homokba, és van egy pumpája, ami a napi ritmusához igazodik, és napfelkeltekor a baktériumok uszkve 95%-át kipumpálja. Most a baktériumok sötétek, a kis hormonmolekula eltűnt, úgyhogy nem csinálnak fényt -- a tintahalat ez persze nem érdekli. Alszik a homokban. És ahogy múlik a nap, a baktériumok megkettőződnek, kiválasztják a molekulát, és éjjel a fény felkapcsolódik pont akkor, amikor a tintahal akarja.

Először rájöttünk, hogyan csinálja ezt a baktérium, aztán ráküldtük a molekuláris biológia eszközeit, hogy rájöhessünk, mi is a mechanizmusa. Azt találtuk -- ez ugye megint a baktériumsejtem akar lenni -- hogy a Vibrio fischerinek van egy fehérjéje -- ez a piros doboz -- ami egy enzim, ami a kis hormonmolekulát csinálja -- a piros hármoszöget. Ahogy a sejtek nőnek, és egyre csak árasztják ezt a molekulát a környezetükbe, hogy sok legyen ott a molekula. A baktériumoknak pedig van egy receptoruk is a sejtfelületen, ami mint egy zár a kulcshoz, úgy illik a molekulához. Ugyanilyen receptoraink vannak a sejtjeinken nekünk is. Amikor a molekula elér egy bizonyos tömeget -- ami ugyanakkor a sejtek számáról árulkodik -- rácsatlakozik a receptorra, és információ jut a sejtekbe arról, hogy be kell kapcsolniuk a kollektív viselkedést, ami maga a világítás.

Amiért ez érdekes, hogy az elmúlt évtizedben, azt találtuk, hogy ez nem csupán anomália, ami csak erre a nevetséges, sötétbenvilágítós tengeri bacira jellemző, hanem minden baktériumnak vannak ilyen rendszerei. Tudjuk immár, hogy a baktériumok beszélgetnek egymással. Vegyi szavakat állítanak elő, felismerik azokat, amik aztán csoportviselkedést idéznek elő, ami csak akkor sikeres, ha minden sejt egyszerre vesz benne részt. Hangzatos nevet találtunk erre: határozatképesség-érzékelés. Ezekkel a vegyi szavazatokkal szavaznak, a szavazatokat összeszámolják, és közös választ adnak a szavazatra.

Ami fontos a mai beszédem szempontjából, hogy tudjuk, hogy százával találunk olyan viselkedéseket, amiket a baktériumok kollektíve visznek véghez. De ami nekünk talán a legfontosabb, az a fertőzőképesség. Nem úgy van, hogy néhány baktérium beléd jut, és elkezdenek mérget kiválasztani -- akkorák vagyunk, hogy ennek semmi hatása nem lenne. Hatalmasak. Hanem az van, és erre jöttünk rá, hogy bejutnak, várnak, elkezdenek növekedni, számolgatják magukat ezekkel a kis molekulákkal, és felismerik, mikor vannak elegen ahhoz, hogy ha közösen egyszerre fertőző támadást indítanak, sikerrrel legyőzhetnek egy óriási gazdatestet. A fertőzéseket mindig határozatképesség-érzékeléssel irányítják. Így működik a dolog.

Azt is megnéztük, hogy mik ezek a molekulák -- azaz a diákon lévő piros háromszögek. Ez itt a Vibrio fischeri molekula, ez pedig a szó, amit használ. Aztán elkezdtünk más baktériumokat vizsgálni, és itt van a felfedezett molekulákból egy kisebb csokorra való. Amit remélhetőleg láttok, hogy a molekulák nagyon hasonlóak. A baloldali részük megegyezik minden egyes baktériumfajban. De a jobboldali rész kicsit eltérő minden egyes fajnál. Ez ruházza fel az egyes egyedi faji jellegzetességekkel a nyelveket. Minden molekula kizárólag a saját receptorába illik. Tehát ezek személyes, titkos beszélgetések. Beszélgetések, amik a fajon belüli kommunikációra szolgálnak. Minden baktérium egy bizonyos molekulát használ saját nyelveként, amivel meg tudja számolni saját testvéreit.

Mire idáig jutottunk, úgy gondoltuk, hogy elkezdtük megérteni a baktériumok szociális viselkedését. De ami sokkal inkább foglalkoztatott minket, hogy általában a baktériumok nem egymagukban, hanem hihetetlen keverékben élnek más baktériumfajok százaival, ezreivel együtt. Ezt látni ezen a dián. Ez a bőrünk. Ez csak egy kép, egy mikrorajz a bőrünkről. Bárhol a testünkön többé-kevésbé így néz ki, és láthatjuk, hogy mindenféle baktérium van itt. És azon kezdtünk agyalni, hogyha tényleg a baktériumok kommunikációjáról van szó, ami a szomszédaid számolásáról szól, akkor nem elég a fajodon belül beszélgetni. Kell valami mód arra, hogy népszámlálást tartsanak a populációban lévő többi baktériumról is.

Így visszanyúltunk a molekuláris biológiához és elkezdtünk különböző baktériumokat vizsgálni, és amit most találtuk az az, hogy igaziból a baktériumok többnyelvűek. Van egy fajtaspecifikus rendszerük -- egy molekula, ami azt mondja: "én". Viszont ezzel párhuzamosan van egy másik rendszerük is, amit felfedeztünk, és ami generikus. Tehát van egy másik enzimjük, ami egy másik jelet készít, és aminek saját receptora van, és ez a baktériumok kereskedelmi nyelve. Mindenféle baktérium használja és ez az fajok közötti kommunikáció nyelve. Így a baktériumok meg tudják számolni, hogy mennyi van belőlem, és mennyi belőled. Ezt az információt begyűjtik, és eldöntik, hogy milyen feladatot végezzenek attól függően, hogy ki van kisebbségben, és ki többségben az adott populációban.

Így újra a kémiához fordultunk, és rájöttünk, mi ez a generikus molekula -- a dián a rózsaszín oválisok voltak, itt is van. Ez egy nagyon apró, öt szénből álló molekula. Ami a lényeg, hogy rájöttünk, hogy minden baktérium pontosan ugyanazzal az enzimmel pontosan ugyanazt a molekulát termeli. Azaz mindannyian ezt használják fajközi kommunikációra. Ez a baktériális eszperantó.

(nevetés)

Mire odáig jutottunk, kezdtük megérteni, hogy a baktériumok egy kémiai nyelven beszélgetnek egymással. De aztán elkezdtünk gondolkodni, hogy talán van valami praktikus, amit csinálhatunk még itt. Elmondtam, hogy a baktériumok szociális viselkedést tanúsítanak, hogy a molekulák segítségével kommunikálnak. És persze azt is elmondtam, hogy az egyik fontos dolog, amit tesznek, hogy határozatképességi érzékeléssel betegséget okoznak. Gondoltuk, miért ne alakíthatnánk a baktériumokat úgy, hogy némák, vagy süketek legyenek? Nem lehetnének ezek új típusú antibiotikumok?

Persze, épp most hallottátok, és tudjátok jól, hogy kifogyóban vannak az antibiotikumok. Jelenleg a baktériumok hihetetlenül gyógyszer-rezisztensek ami a sok antibiotikum miatt van, amikkel megöljük őket. Ezek vagy szétpukkasztják a bakteriális membránt, vagy úgy tesznek vele, hogy az ne tudja megkettőzni a DNS-ét. Hagyományos antibiotikummal irtjuk őket ami az ellenálló mutánsok kiválasztódásának kedvez. Így persze globális problémánkká váltak a fertőző betegségek. Azt gondoltuk, mi lenne, ha a viselkedésüket tudnánk megváltoztatni, úgy alakítani őket, hogy némák és süketek legyenek, és ne tudják, mikor indítsanak fertőzést.

És pontosan ezt tettük, és két különböző stratégiát választottunk. Először is megcéloztuk a fajon belüli kommunikációs rendszert. Olyan molekulákat csináltunk, amik hasonlítanak az igaziakra -- amiket mutattam -- de egy kicsit mégis mások. És így, rácsatlakoznak a receptorokra, az igazi cucc felismerését megakadályozva A piros rendszer megcélzásával fajspecifikus, vagy kórspecifikus anti-határozatképesség-érzékelő molekulákat csináltunk. Ugyanezt csináltuk a rózsaszín rendszerrel is. Fogtuk az általános molekulát, és megcsavartuk picit és így ellenanyagot csináltunk a fajközi kommunikációs rendszernek. Reményeink szerint ezt szélesspektrumú antibiotikumként használhatjuk ami minden baktérium ellen működik.

Zárásképpen megmutatnám a stratégiát. Itt csak a fajok közötti molekulát használom, de a logika tökéletesen megegyezik. Amit tudunk, hogy ha ez a baktérium bekerül az állatba, ez esetben egy egérbe, nem kezd azonnal fertőzni. Bejut, elkezd nőni, és elkezdi kiválasztani a a határozatképesség-érzékelő molekulákat. Felismeri mikor van elég baktérium ahhoz, hogy elindíthassák a támadást, és az állat elpusztul. Ami sikerült, hogy beadtuk ezt a virulens fertőzést, de a határozatképesség-érzékelés elleni molekulákkal együtt -- ezek azok a molekulák, amik olyanok, mint az igazi, csak kicsit mások, ahogyan ezen a dián ábrázoltam. Már tudjuk, hogy ha az állatot patogén baktériummal -- multidrogrezisztens petogén baktériummal -- kezeljük és egyben a határozatképesség-érzékelés elleni molekulával is, akkor az állat túléli.

Azt gondoljuk, hogy ez az antibiotikumok következő generációja, és, legalábbis kezdetben, megoldja a rezisztencia hatalmas problémáját. Szeretném, ha azt gondolnátok, hogy a baktériumok képesek beszélgetni, vegyi anyagokat használnak szavakként, hihetetlenül bonyolult kémiai szótárral rendelkeznek, amit csak most kezdünk megismerni. Ez persze lehetővé teszi a baktériumok számára, hogy többsejtűek legyenek. Tehát a TED szellemében együttműködnek, mert ez az, ami számít. Az van, hogy a baktréiumok kollektíven viselkednek, és olyan dolgokra visznek véghez, amiket soha nem tudnának elvégezni ha csupán egyedként cselekednének.

Remélem arról is meggyőzhetlek titeket, hogy ez a többsejtűség találmánya. A baktériumok évmilliók óta itt vannak a Földön. Az emberek -- pár százezer éve. Azt gondoljuk, hogy a baktériumok hozták a többsejtű szervezetek működésének szabályait. A baktériumok tanulmányozásával többet tudhatunk meg az emberi test többsejtűségéről. Ha rájövünk az alapelvekre és a szabályokra, ha ezekben a primitív organizmusokban megismerjük őket, ezek remélhetőleg alkalmazhatóak lesznek más emberi betegségek és viselkedésformák esetén is. Remélem megtudtátok, hogy a baktériumok meg tudják egymást különböztetni. A két molekulával mondhatják, hogy "én" és hogy "te". Persze ez megint az, amit mi is teszünk, mind molekulárisan, mind láthatóan, de én a molekuláris részére gondolok.

Pontosan ez történik a testünkben. Nem úgy van, hogy a szív- és a vesesejtjeink nap mint nap összekeverednek, ami azért van, mert folyamatosan működik a kémia, a molekulák, amik megmondják, melyik sejtcsoport micsoda, és mi volna a feladata. Ismétlem, úgy gondoljuk, hogy ezt a baktériumok találták ki, és mi csak egy picivel több csengőt és sípot fejlesztettünk ki, de minden ötlet tanulmányozható ezekben az egyszerű rendszerekben.

Végső soron, hogy újra nyomatékosítsam, van praktikus része, hogy csináltunk határozatképesség-érzékelés elleni molekulákat, amik újfajta gyógymódként kerülnek kifejlesztésre. Ugyanakkor, hogy a jó és csodás baktériumokkal fejezzük be, amik a Földön élnek, csináltunk határozatképesség-érzékelést erősítő molekulákat is. Megcéloztuk a rendszereket úgy, hogy a molekulák jobban működnak. Emlékezzünk arra, hogy 10szer annyi bakteriális sejtünk van amik egészségünket őrzik. Azzal is próbálkozunk, hogy felerősítjük azt a beszélgetést, amit a velün kegyüttműködő baktériumok között folyik, abban a reményben, hogy így egészségesebbek leszünk. javítjuk ezeket a beszélgetéseket, így a baktériumok megtehetik mindazt, amit szeretnénk csak épp jobban, mint maguktól tennék.

Végül pedig meg akartam mutatni a csapatomat a Princetonon, New Jersey-ben. Mindent, amit itt elmondtam, valaki ezen a képen fedezett fel. Ha tanultok valamit, mondjuk a természet működéséről -- Csak annyit akarok mondani, hogy akármikor olvastok valamit az újságban vagy hallotok valakit valami nevetségeset mondani a természetről azt egy gyerek csinálta. A tudományt ez a korcsoport műveli. Mindannyian 20 és 30 év között vannak, és ők a motor az országunk tudományos felfedezései mögött. Igazán szerencsés korcsoport ez a közös munkára. Én egyre öregebb leszek, ők meg mindig ugyanolyan fiatalok, és ez egy igazán pompás munka. Köszönöm, hogy meghívást kaptam ide. Nagy gyönyörűséget okoz, hogy itt lehetek ezen a konferencián.

(taps)

Köszönöm.

(taps)