Bonnie Bassler tentang bagaimana bakteri berkomunikasi

Bakteri adalah organisme hidup tertua di Bumi. Mereka sudah ada selama milyaran tahun, dan mereka merupakan organisme mikroskopis bersel tunggal. Jadi mereka adalah satu sel dan mereka memiliki sifat spesial hanya memiliki satu potong DNA. Mereka memiliki sangat sedikit gen, dan informasi genetik untuk menyandikan semua sifat-sifat yang mereka miliki. Dan cara bakteri hidup adalah dengan mengkonsumsi nutrien dari lingkungannya, mereka tumbuh hingga dua kali ukurannya, mereka membagi dirinya di tengah-tengah dan satu sel menjadi dua, dan seterusnya, dan seterusnya. Mereka hanya tumbuh dan membelah, dan tumbuh dan membelah -- jadi hidupnya cukup membosankan, kecuali saya ingin berargumen bahwa Anda memiliki interaksi yang mengagumkan dengan makhluk-makhluk ini.

Saya tahu Anda semua berpikir tentang diri Anda sendiri sebagai manusia, dan ini adalah bagaimana saya berpikir tentang Anda. Orang ini seharusnya dapat mewakili seorang manusia normal biasa, dan semua lingkaran di dalam orang itu adalah sel-sel penyusun tubuh Anda. Ada sekitar satu bilyun sel manusia yang menyusun tubuh kita siapa diri kita dan mampu melakukan semua hal yang kita lakukan, tapi Anda memiliki 10 bilyun sel bakteri di dalam atau pada tubuh Anda kapanpun dalam hidup Anda. Jadi, 10 kali lebih banyak sel bakteri daripada sel manusia di tubuh manusia. Dan tentunya DNA-lah yang diperhitungkan, jadi inilah semua A, T, G, dan C yang menyusun kode genetik Anda, dan memberi Anda semua sifat yang menarik. Anda memiliki sekitar 30,000 gen. Ternyata Anda memiliki 100 kali lebih banyak gen bakteri yang berperan di dalam atau di permukaan tubuh Anda selama hidup Anda. Paling tinggi, Anda adalah 10 persen manusia, tapi lebih mungkin hanya sekitar satu persen manusia, tergantung mana dari pengukuran ini yang Anda suka. Saya tahu Anda semua menganggap diri sendiri sebagai manusia, tapi saya menganggap Anda adalah 90 atau 99 persen bakteri.

(Tawa)

Bakteri-bakteri ini bukan penumpang yang pasif, mereka sangat penting, mereka menjaga kita tetap hidup. Mereka menyelimuti kita dengan pelindung yang tidak terlihat yang menjaga kita dari gangguan lingkungan sehingga kita tetap sehat. Mereka mencerna makanan kita, mereka membuat vitamin kita, mereka juga melatih sistem kekebalan tubuh Anda untuk menjaga mikroba jahat tetap di luar. Jadi mereka melakukan semua hal menakjubkan ini yang menjaga kita dan penting untuk menjaga kita tetap hidup, dan mereka tidak pernah mendapatkan publikasi untuk itu. Tapi mereka mendapat banyak publikasi karena mereka banyak melakukan hal yang mengerikan juga. Jadi, ada berbagai macam bakteri di Bumi yang tidak punya kepentingan untuk berada di dalam atau pada tubuh Anda kapanpun, dan kalau mereka ada, mereka akan membuat Anda sangat sakit.

Jadi, pertanyaan untuk lab saya adalah apakah Anda mau memikirkan semua tentang hal baik yang bakteri lakukan, atau semua hal buruk yang bakteri lakukan. Pertanyaan yang kita punya adalah bagaimana pula mereka dapat melakukan sesuatu? Maksud saya, mereka sangatlah kecil, Anda harus menggunakan mikroskop untuk melihatnya. Mereka hidupnya cukup membosankan, di mana mereka hanya tumbuh dan membelah, dan mereka selalu dianggap sebagai organisme asosial penyendiri Jadi sepertinya bagi kita mereka terlalu kecil untuk mempunyai dampak ke lingkungan kalau mereka hanya bertindak sendiri-sendiri. Jadi kami mau berpikir apakah tidak ada cara lain bakteri hidup.

Petunjuk soal ini datang dari bakteri laut lain, dan dia adalah bakteri yang disebut Vibrio fischeri. Yang Anda lihat di slide ini hanya seseorang dari lab saya yang memegang labu berisi biakan cair bakteri, sebuah bakteri tidak berbahaya yang indah yang datang dari lautan, bernama Vibrio fischeri. Bakteri ini memiliki sifat khusus yaitu dia dapat membuat cahaya, jadi dia membuat bioluminesens, seperti kunang-kunang membuat cahaya. Kami tidak melakukan apa-apa terhadap selnya di sini. Kami hanya mengambil gambarnya setelah mematikan lampu di ruangan tersebut, dan inilah yang kami lihat.

Yang sebenarnya menarik bagi kami bukan kenyataan bahwa bakterinya membuat cahaya, tapi kapan bakterinya membuat cahaya. Yang kami perhatikan adalah ketika bakterinya sendiri, jadi ketika mereka berada dalam jumlah kecil di suspensinya, mereka tidak membuat cahaya. Tetapi ketika mereka tumbuh hingga mencapai jumlah tertentu semua bakterinya memancarkan cahaya secara bersamaan. Pertanyaan yang kami miliki adalah bagaimana caranya bakteri, organisme yang primitif, bisa tahu perbedaan ketika mereka sendiri, dan ketika mereka ada di sebuah komunitas, dan kemudian melakukan sesuatu bersama-sama. Yang telah kami ketahui adalah cara mereka melakukannya adalah dengan saling berbicara, dan mereka berbicara dengan sebuah bahasa kimia.

Ini sekarang adalah sel bakteri saya. Ketika dia sendirian, dia tidak membuat cahaya. Tetapi, yang dia lakukan adalah membuat dan mensekresikan molekul kecil yang bisa Anda anggap seperti hormon, dan ini adalah segitiga merahnya, dan ketika bakterinya sendiri molekulnya hanya melayang-layang dalam air sehingga tidak ada cahaya. Tetapi ketika bakterinya tumbuh dan berlipat ganda dan mereka semua berpartisipasi dalam pembuatan molekul ini, molekulnya -- jumlah ekstraseluler molekulnya naik proporsinya dibandingkan jumlah selnya. Dan ketika molekulnya mencapai jumlah tertentu itu akan memberi tahu bakteri berapa banyak tetangga yang ada, mereka mengenali molekul tersebut dan semua bakteri membuat cahaya secara bersamaan. Itulah caranya bioluminesens bekerja -- mereka berbicara dengan kata-kata kimia ini.

Alasan Vibrio fischeri melakukan itu datang dari biologinya. Lagi, sebuah promosi lain untuk hewan-hewan di lautan, Vibrio fischeri tinggal di dalam cumi-cumi ini. Yang anda lihat adalah cumi-cumi Hawaiian Bobtail, dan dia sudah ditengkurapkan, dan yang saya harap Anda lihat adalah dua bulatan bercahaya ini dan inilah yang mengandung sel Vibrio fischeri, mereka tinggal di dalamnya, dalam jumlah banyak molekulnya ada di sana, dan mereka membuat cahaya. Alasan si cumi-cumi mau terlibat dengan kerepotan ini adalah karena dia menginginkan cahayanya. Cara simbiosis ini bekerja adalah karena si cumi-cumi ini hidup di daerah lepas pantai Hawaii, di sekitar perairan yang dalamnya selutut. Cumi-cumi tersebut nokturnal, jadi ketika siang hari dia mengubur dirinya di dalam pasir dan tidur, tapi kemudian ketika malam dia harus keluar untuk berburu. Di malam yang terang ketika banyak cahaya bintang dan bulan cahaya tersebut bisa menembus kedalaman air tempat cumi-cuminya hidup, karena dia hidup memang di kedalaman beberapa kaki tersebut. Yang cumi-cumi itu miliki adalah semacam pengepas kamera yang bisa membuka dan menutupi organ cahaya khusus yang menampung bakteri ini. Lalu dia juga memiliki pemindai di punggungnya sehingga dia bisa mengetahui berapa banyak cahaya bintang atau bulan yang mengenai punggungnya. Dan dia membuka dan menutup pengepas tersebut sehingga jumlah cahaya yang keluar di bawahnya -- yang dibuat oleh bakteri -- sama persis dengan cahaya yang mengenai punggung cumi-cuminya, jadi cumi-cuminya tidak memiliki bayangan. Dia benar-benar menggunakan cahaya dari bakterinya untuk mencahayakan balik dirinya melalui semacam alat anti predasi sehingga pemangsa-pemangsa tidak bisa melihat bayangannya, memperhitungkan alur geraknya, dan memakannya. Ini seperti pengebom siluman dari lautan.

(Tawa)

Tapi lalu kalau Anda pikirkan, cumi-cuminya punya masalah yang parah karena dia memiliki biakan bakteri yang banyak dan akan mati ini dan dia tidak bisa mempertahankan kondisi itu. Maka yang terjadi setiap pagi ketika matahari terbit cumi-cuminya kembali tidur, dia mengubur dirinya di pasir, dan dia memiliki pompa yang berhubungan dengan irama circadia-nya, dan ketika matahari terbit pompanya mengeluarkan sekitar 95 persen bakteri. Sekarang bakterinya kembali jarang, molekul hormon kecil tadi hilang, jadi mereka tidak membuat cahaya -- tapi tentu cumi-cuminya tidak peduli. Dia sedang tidur di dalam pasir. Dan seiring berjalannya hari bakterinya berlipat ganda, mereka melepaskan molekulnya, dan cahaya terpancar pada malam hari, persis saat cumi-cuminya menginginkannya.

Pertama kami mencari tahu bagaimana bakteri ini melakukan hal tersebut, tapi lalu kami menggunakan perangkat-perangkat biologi molekuler pada hal ini untuk mencari tahu bagaimana mekanismenya. Dan yang kami temukan -- jadi ini adalah, lagi, sel bakteri saya -- adalah Vibrio fischeri memiliki sebuah protein -- itulah kotak merahnya -- itu adalah sebuah enzim yang membuat molekul hormon kecil itu -- segitiga merah. Dan seiring dengan pertumbuhan sel-selnya, mereka semua melepaskan molekul tersebut ke lingkungan, jadi ada banyak molekul di situ. Dan bakterinya juga memiliki reseptor di permukaan selnya yang pas seperti gembok dan kunci dengan molekul tersebut. Ini sama dengan reseptor yang ada di permukaan sel Anda. Ketika molekulnya meningkat hingga jumlah tertentu -- yang memberi tahu sesuatu tentang jumlah selnya -- dia akan berikatan dengan reseptor itu dan informasinya akan diterima sel yang memberi tahu sel tersebut untuk memulai perilaku bersama mereka yaitu pembuatan cahaya.

Kenapa ini menarik adalah karena dalam dekade terakhir kami telah menemukan bahwa ini bukanlah sekedar anomali seputar bakteri menyala-dalam-gelap yang konyol dan hidup di lautan -- semua bakteri memiliki sistem seperti ini. Jadi sekarang kami mengerti bahwa semua bakteri dapat berbicara satu sama lain. Mereka membuat kata-kata kimia, mereka mengenali kata-kata tersebut, dan mereka mengaktifkan sifat-sifat kelompok yang hanya akan berhasil ketika semua selnya berpartisipasi bersamaan. Kami memiliki nama yang nyentrik untuk ini, kami menyebutnya quorum sensing. Mereka mengadakan voting dengan suara kimia ini, suaranya dihitung, lalu semuanya menanggapi hasilnya.

Yang penting untuk pembicaraan hari ini adalah bahwa kami tahu bahwa ada ratusan perilaku yang dilakukan bakteri secara berkelompok seperti ini. Tetapi satu yang mungkin paling penting bagi Anda adalah virulensi. Yang terjadi sebenarnya bukan beberapa bakteri yang memasuki anda lalu mereka langsung mulai mensekresikan beberapa toksin -- Anda sangat besar, itu tidak akan memberikan efek apapun kepada anda. Anda besar sekali. Yang mereka lakukan, kami mengerti sekarang, mereka masuk ke dalam anda, mereka menunggu, mereka mulai tumbuh, mereka menghitung jumlah mereka sendiri dengan molekul-molekul kecil ini, dan mereka akan tahu ketika mereka memiliki jumlah sel yang tepat bahwa kalau semua bakteri meluncurkan serangan virulensinya bersamaan, mereka akan berhasil mengatasi inang yang besar ini. Bakteri selalu mengendalikan patogenitas dengan quorum sensing. Itulah cara kerjanya.

Kami juga kemudian melihat apa sebenarnya molekul-molekul ini -- ini adalah segitiga-segitiga merah pada slide saya sebelumnya. Ini adalah molekul Vibrio ficheri. Ini adalah kata yang digunakannya untuk berbicara. Jadi, kami kemudian mulai melihat bakteri lain, dan ini hanya sebagian dari molekul yang kami temukan. Yang saya harapkan Anda dapat lihat adalah bahwa molekul-molekulnya saling berhubungan. Bagian kiri molekulnya identik di semua spesies bakteri. Tapi bagian kanan molekulnya sedikit berbeda di setiap spesies. Yang dilakukan bagian itu adalah memberikan spesifikasi bahasa untuk spesies tertentu. Setiap molekul cocok dengan pasangan reseptornya dan tidak ada lainnya. Jadi ini adalah percakapan yang pribadi dan rahasia. Percakapan ini adalah untuk komunikasi dalam satu spesies. Setiap bakteri menggunakan satu molekul tertentu yang merupakan bahasanya, yang membuatnya dapat menghitung kerabatnya.

Setelah kami mendapatkan informasi sebanyak itu, kami pikir kami mulai mengerti bahwa bakteri memiliki perilaku sosial seperti ini. Tapi yang sebenarnya kami pikirkan adalah untuk kebanyakan waktu bakteri tidak hidup sendirian, mereka hidup di campuran yang luar biasa, dengan ratusan atau ribuan spesies bakteri lain. Dan itu digambarkan di slide ini. Ini adalah kulit anda. Jadi ini hanyalah sebuah gambar -- mikrograf kulit anda. Di bagian manapun tubuh anda, kelihatannya kurang lebih seperti ini, dan yang saya harapkan Anda dapat lihat adalah terdapat segala jenis bakteri di sini. Jadi kemudian kami berpikir kalau ini benar-benar mengenai komunikasi di bakteri, dan tentang menghitung tetangga anda, tidak cukup kalau hanya bisa berbicara dengan spesies Anda saja. Seharusnya ada cara untuk melakukan sensus terhadap bakteri lainnya di dalam populasi tersebut.

Jadi kami kembali ke biologi molekuler dan mulai mempelajari bakteri yang bebeda, dan yang sudah kami temukan sekarang adalah sebenarnya, bakteri itu multilingual. Mereka semua memiliki sistem yang spesifik untuk spesiesnya -- mereka memiliki molekul yang mengatakan "saya." Tapi kemudian, berjalan bersamaan dengan itu adalah sebuah sistem kedua yang telah kami temukan, yang umum. Jadi mereka memiliki enzim kedua yang membuat sinyal kedua dan itu memiliki reseptornya sendiri, dan molekul ini adalah bahasa umum bakteri. Ini digunakan oleh semua bakteri yang berbeda dan ini merupakan bahasa komunikasi antarspesies. Yang terjadi adalah bakteri mampu menghitung berapa banyak saya dan berapa banyak Anda. Mereka mengambil informasi itu, dan mereka menentukan tugas-tugas apa yang akan dijalankan tergantung pada siapa yang menjadi minoritas dan siapa yang menjadi mayoritas di populasi manapun.

Lalu, kembali kami berpaling ke ilmu kimia, dan kami menemukan bahwa molekul yang umum ini adalah -- itu adalah oval merah muda di slide terakhir saya, ini dia. Dia adalah molekul berkarbon lima yang sangat kecil. Yang penting adalah kami mempelajari bahwa semua bakteri memiliki enzim yang persis sama dan membuat molekul yang persis sama. Jadi mereka semua menggunakan molekul ini untuk komunikasi antarspesies. Ini adalah Esperanto-nya bakteri.

(Tawa)

Setelah kami mencapai sejauh itu, kami mulai belajar bahwa bakteri dapat berbicara satu sama lain dengan bahasa kimia ini. Tapi yang kami lalu pikirkan adalah mungkin ada sesuatu yang praktis yang bisa kami lakukan di sini juga. Saya sudah memberi tahu Anda bahwa bakteri memiliki semua perilaku sosial ini, mereka berkomunikasi dengan molekul-molekul ini. Tentunya, saya juga sudah memberi tahu Anda bahwa salah satu hal penting yang mereka lakukan adalah memulai patogenitas menggunakan quorum sensing. Kami berpikir, bagaimana kalau kami mengubah bakteri ini sehingga mereka tidak dapat berbicara atau mereka tidak dapat mendengar? Bukankah ini bisa menjadi antibiotik jenis baru?

Tentunya, Anda baru mendengar dan Anda sudah tahu bahwa kita sekarang mulai kekurangan antibiotik. Bakteri sangat resisten terhadap berbagai macam obat sekarang, dan itu karena semua antibiotik yang biasa kita gunakan membunuh bakteri. Mereka entah menghancurkan membran bakteri, mereka membuat bakterinya tidak dapat menggandakan DNA-nya. Kita membunuh bakteri dengan antibiotik tradisional dan itu menyeleksi mutan-mutan yang resisten. Dan sekarang tentunya kita memiliki masalah global ini seputar penyakit menular. Kami berpikir, bagaimana kalau kami dapat melakukan semacam perubahan perilaku, dengan membuat bakteri ini tidak dapat berbicara, tidak dapat berhitung, dan mereka tidak tahu bagaimana meluncurkan virulensi.

Jadi itulah yang persisnya telah kami lakukan, dan kami semacam memiliki dua strategi. Pertama adalah kami sudah menargetkan sistem komunikasi dalam satu spesiesnya. Jadi kami membuat molekul-molekul yang tampak seperti molekul aslinya -- yang Anda lihat -- tapi mereka sedikit berbeda. Jadi, mereka mengunci ke reseptor-reseptor tersebut, dan mereka menghambat pengenalan molekul sebenarnya. Dengan menargetkan sistem merahnya, yang dapat kami lakukan adalah membuat molekul anti quorum sensing yang spesifik untuk spesies atau penyakit tertentu. Kami juga sudah melakukan hal yang sama dengan sistem merah mudanya. Kami mengambil molekul universal tersebut dan mengubahnya sedikit jadi kami telah membuat antagonis dari sistem komunikasi antarspesies. Harapannya adalah ini akan digunakan untuk antibiotik spektrum luas yang bekerja melawan semua bakteri.

Akhirnya, saya akan menunjukkan pada anda strateginya. Di sini saya hanya menggunakan molekul antarspesiesnya, tapi logikanya sama persis. Yang anda tahu adalah ketika bakterinya masuk ke dalam hewannya, dalam kasus ini, seekor mencit, dia tidak serta merta memulai virulensinya. Dia masuk, mulai tumbuh, dan mulai mensekresikan molekul quorum sensing-nya. Dia menyadari ketika sudah ada cukup bakteri sehingga sekarang mereka akan meluncurkan serangannya, dan hewannya mati. Yang sudah kami bisa lakukan adalah memberikan infeksi virulen ini, tapi kami memberikan mereka bersamaan dengan molekul anti quorum sensing kami -- jadi ini adalah molekul yang kelihatannya seperti aslinya, tapi mereka sedikit berbeda seperti yang sudah saya gambarkan di slide ini. Yang kami tahu sekarang adalah kalau kami memberi hewannya sebuah bakteri patogen -- sebuah bakteri patogen yang resisten berbagai macam obat -- dalam waktu yang sama saat kami memberikan molekul anti quorum sensing kami, hewannya hidup.

Kami pikir ini adalah generasi antibiotik berikutnya dan ini akan membantu kita mengatasi, paling tidak awalnya, masalah resistensi yang besar ini. Yang saya harap Anda pikir, adalah bakteri dapat berbicara satu sama lain, mereka menggunakan senyawa kimia sebagai kata-katanya, mereka memiliki kosa kata kimia yang rumit, yang kini baru mulai kami pelajari. Tentunya apa yang bisa dilakukan oleh bakteri dengan itu adalah menjadi multiseluler. Jadi dalam semangat TED mereka melakukan sesuatu bersama-sama karena itu akan membuat perbedaan. Yang terjadi adalah bakteri memiliki perilaku bersama ini, dan mereka bisa melakukan tugas-tugas yang tidak akan bisa mereka selesaikan kalau mereka hanya bertindak sebagai individu.

Yang saya harap dapat saya yakinkan lagi kepada Anda adalah inilah penemuan multiseluleritas. Bakteri sudah ada di Bumi selama trilyunan tahun. Manusia -- beberapa ratus ribu. Kami pikir bakteri yang membuat aturannya tentang bagaimana organisasi multiseluler bekerja. Kami pikir, dengan mempelajari bakteri, kami akan bisa mendapatkan pencerahan tentang multiseluleritas di tubuh manusia. Kami tahu bahwa prinsip dan aturannya, kalau kami dapat menjelaskannya di organisme primitif seperti ini, harapannya adalah mereka bisa diaplikasikan ke penyakit manusia yang lain dan juga perilaku manusia. Saya harap bahwa apa yang sudah Anda pelajari adalah bakteri dapat membedakan dirinya sendiri dari yang lain. Dengan menggunakan dua molekul ini mereka dapat berkata "saya" dan mereka dapat berkata "anda." Tentunya itulah yang kita lakukan, baik dari segi molekuler, maupun dari segi yang tampak, tapi saya berpikir mengenai sisi molekulernya.

Ini persis dengan apa yang terjadi di tubuh Anda. Tentunya, sel jantung dan sel ginjal Anda tidak bercampur aduk setiap hari, dan itu karena ada semua reaksi kimia ini yang terjadi, molekul-molekul yang dapat mengatakan siapa kelompok sel-sel ini, dan apa tugas mereka seharusnya. Lagi, kami berpikir bahwa bakteri yang menemukan itu, dan Anda hanya mengembangkan sedikit pernak-pernik, tapi semua idenya ada di sistem sederhana ini yang dapat kita pelajari.

Hal yang terakhir, lagi, hanya untuk menekankan bahwa ada sisi praktisnya, kami telah membuat molekul anti quorum sensing ini yang sedang dikembangkan sebagai obat jenis baru. Tapi kemudian, untuk mengakhiri dengan promosi untuk bakteri yang baik dan menakjubkan yang hidup di Bumi, kami juga membuat molekul pro quorum sensing. Jadi, kami menargetkan sistem-sistem itu untuk membuat molekulnya bekerja lebih baik. Ingat bahwa Anda memiliki 10 kali atau bahkan lebih banyak sel bakteri di dalam Anda atau pada Anda, menjaga anda sehat. Yang juga kami coba lakukan adalah memperkuat percakapan antara bakteri yang hidup membantu Anda, dengan harapan membuat Anda lebih sehat, membuat percakapan-percakapan tersebut lebih baik, sehingga bakteri dapat melakukan hal-hal yang kita ingin mereka lakukan lebih baik dibanding kalau mereka melakukannya sendiri.

Akhirnya, saya ingin menunjukkan kepada Anda ini adalah geng saya di Princeton, New Jersey. Semua yang tadi saya beri tahukan kepada Anda ditemukan oleh seseorang di gambar itu. Saya harap ketika Anda mempelajari berbagai hal, seperti tentang bagaimana alam bekerja -- Saya hanya ingin mengatakan bahwa kapanpun Anda membaca sesuatu di koran atau Anda mendengar pembicaraan tertentu tentang sesuatu yang konyol di alam itu dilakukan oleh seorang anak. Sains dilakukan oleh demografi tersebut. Semua yang berumur antara 20 dan 30 tahun, dan mereka adalah mesin pendorong penemuan ilmiah di negara ini. Itu merupakan demografi sangat menguntungkan yang dapat diajak bekerja. Saya terus bertambah tua dan mereka selalu berumur sama, dan ini semua merupakan pekerjaan gila yang menyenangkan. Saya ingin berterima kasih kepada Anda karena telah mengundang saya ke sini. Merupakan sebuah kejutan besar bagi saya untuk datang ke konferensi ini.

(Tepuk Tangan)

Terima kasih.

(Tepuk Tangan)