Bonnie Bassler sulla comunicazione fra i batteri

I batteri sono gli organismi più antichi che vivono sulla terra sono stati qui per miliardi di anni Sono microscopici organismi mono cellulari Hanno una sola cellula ed hanno questa caratteristica particolare di avere un solo pezzo di DNA hanno solo pochi geni e poche informazioni genetiche che codificano i loro comportamenti i batteri vivono consumando il nutrimento che trovano nell'ambiente crescono fino al doppio delle dimensioni originale, si dividono nel mezzo e da una cellula ne nascono due e così di seguito Crescono e si duplicano, crescono e si duplicano -- in realtà un vita abbastanza noiosa solo che quello che sostengo invece è che esiste una stupenda relazione fra queste creature.

So che vi pensate come esseri umani ed anch'io vi penso in questi termini Questa figura dovrebbe rappresentare un uomo Un comune essere umano ed i cerchi all'interno della figura rappresentano le cellule che formano il vostro corpo Noi siamo fatti di circa 1000 miliardi di cellule che costituiscono il nostro essere e fanno le cose facciamo ma ciascuno di noi ospita 10.000 miliardi di cellule batteriche dentro o sul nostro corpo in ogni istante della nostra vita quindi 10 volte il numero delle cellule umane che costituiscono ognuno di noi E naturalmente è il DNA che conta ecco quindi tutti gli A, T, G e C che costituiscono il vostro codice genetico e sono repsonsabili di tutte le vostre belle caratteristiche. Voi avete circa 30.000 geni ma capita che abbiate anche 100 volte tanti geni appartenenti a batteri che giocano un ruolo importante in voi e su di voi in tutta la vostra vita. Nel migliore dei casi quindi siete solo per il 10% umani, ma più probabilmente solo l'1% umani, a seconda di come fate il conto. Lo so che vi pensate come esseri umani, ma per me siete al 90 o al 99% batteri.

(Risate)

Questi batteri non sono passeggeri passivi, sono incredibilmente importanti, ci tengono vivi, ci ricoprono come un invisibile armatura che ci protegge dagli attacchi dell'ambiente mantenendoci sani. Digeriscono il cibo per noi, producono le nostre vitamine, educano il nostro sistema immunitario a tenere lontano i batteri nocivi. Fanno tutte queste cose meravigliose che ci aiutano e sono essenziali a tenerci in vita, eppure nessuno ne parla mai bene. E invece se ne parla tanto perchè fanno anche un sacco di malestri. Esistono anche batteri di tanti tipi sulla terra che non dovrebbero mai essere nè dentro nè su di voi e quando invece ci sono vi ammalate gravemente.

La domanda quindi per il mio laboratorio è se vogliamo occuparci delle buone azioni o delle cattive azioni dei batteri. La domanda per noi è come possano agire, come possano fare quello che fanno. Voglio dire sono così incredibilmente piccoli che vi serve un microscopio per vederli vivono questa vita abbastanza noiosa in cui crescono e si dividono e sono sempre stati considerati organismi asociali e appartati. Apparentemente troppo piccoli per avere un peso sull'ambiente circostante se agiscono come individui. E quindi volevamo verificare se non fosse possibile vedere diversamente la vita dei batteri.

Lo spunto ci è stato dato da un batterio marino, che si chiama Vibrio fischeri quello che vedete in questa slide è una persona del mio laboratorio con in mano un contenitore di una cultura liquida di un batterio un innocuo bellissimo batterio proveniente dall'oceano chiamato Vibrio fischeri E' un batterio che ha la capacità di emettere luce quindi produce bioluminescenza come le lucciole. Non stiamo facendo niente qui con queste cellule che vedete abbiamo scattato la foto dopo aver semplicemente spento la luce della stanza e questo e quello che si vede.

Quello che ci interessava in realtà non era la capacità di emettere luce da parte del batterio ma QUANDO lo faceva Notammo che quando il batterio era solo cioè in una sospensione diluita i batteri non emettevano luce ma quando la densità cresceva tutti cominciavano ad emettere luce contemporaneamente. A questo punto la domanda era come i batteri, questi organismi primordiali si accorgevano quando erano soli e quando erano una comunità cui reagivano comportandosi tutti allo stesso modo Abbiamo capito che si muovono all'unisono perchè si parlano fra loro e si parlano con un linguaggio chimico.

Questa che vedete rappresenta una cellula batterica quando è sola non emette luce ma quello che fa è di secernere un piccola molecola che possiamo pensare come un ormone rappresentata dai triangoli rossi, quando il batterio è solo le molecole si allontanano e niente luce Ma quando i batteri crescono e si moltiplicano e tutti secernono queste molecole la molecola -- la quantità extra cellulare di molecole cresce proporzionalmente al numero di cellule presenti e quando queste molecole superano un certo numero questo segnala ai batteri quanti sono i loro simili nei paraggi riconoscono la molecola e tutti i batteri si illuminano contemporaneamente Così funziona la bioluminescenza i batteri si parlano con queste parole chimiche.

La ragione del comportamento del Vibrio fischeri deriva dalla biologia Un altro esempio di un animale dell'oceano Il Vibrio fischeri vive dentro a questo calamaro Quello che vedete è il calamaro Bobtail delle Hawaii rovesciato sulla schiena e quello che spero notiate sono questi due lobi luminosi che contengono le cellule di Vibrio fisheri che vivono là dentro in gran numero. La molecola pure è numerosa e quindi i batteri emettono luce La ragione per cui il calamaro tollera tutto questo show è che ha bisogno di quella luce La simbiosi funziona così il piccolo calamaro vive vicino alla costa Hawaiiana dove l'acqua è alta fino al ginocchio Il calamaro è notturno quindi di giorno si sotterra nella sabbia e dorme mentre di notte esce per cacciare Nelle notti chiare rischiarate dalla luce lunare o stellare la luce può penetrare il piccolo strato d'acqua dove vive il calamaro, acqua alta circa 60 cm Il calamaro ha sviluppato un diaframma che può aprire e chiudere su un organo speciale dove vive il batterio poi ha dei sensori sulla schiena che misurano l'intensità della luce naturale notturna incidente sulla sua schiena ed apre e chiude il diaframma in modo che la luce che esce dal fondo, quella prodotta dai batteri, sia esattamente uguale a quella che colpisce la schiena del calamaro ed in questo modo il calamaro non fa ombra infatti usa la luce dei batteri per autoilluminarsi in funzione anti predatoria. Infatti in questo modo i predatori non vedendo la sua ombra non possono calcolare la traiettoria del suo movimento e mangiarselo. E' come il bombardiere invisibile dell'oceano

(Risate)

Ma se ci pensate il calamaro ha un problema terribile perchè accoglie questa densa e morente popolazione di batteri che non può mantenere a lungo. Allora ogni mattino al sorgere del sole, quando il calamaro torna a dormire sotterrandosi nella sabbia, una pompa collegata al suo ritmo circadiano allo spuntar del sole espelle il 95% dei batteri Adesso la densità dei batteri nella sacca è diminuita e con essi il numero di molecole ormonali e quindi i batteri si spengono Ma naturalmente il calamaro se ne frega visto che dorme già sotto la sabbia. Durante il giorno i batteri si riproducono rilasciando la molecola e la luce si riaccende di notte esattamente quando il calamaro ne ha bisogno

Prima abbiamo capito come faccia il batterio a fare ciò che fa, poi ci siamo serviti degli strumenti della biologia molecolare per comprendere il MECCANISMO del comportamento e quello che abbiamo scoperto -- ecco di nuovo la mia cellula batterica -- è che questo vibrio fisheri ha una proteina il rettangolo rosso -- è un enzima che produce la molecola ormone rappresentata dal triangolino rosso e via via che le cellule crescono tutte rilasciano la molecola ormone nell'ambiente ed ecco che la loro densità cresce Il batterio ha anche un ricettore sulla superficie cellulare che si combina come un chiave in un lucchetto con le molecole che hanno la stessa forma del recettore Quando le molecole aumentano oltre un certo valore che dipende dal numero delle cellule si appaiano col recettore e così arriva alla cellula il messaggio capace di provocarne l'illuminazione in un comportamento collettivo e sincronizzato.

Questa cosa è interessante perchè nel decennio passato abbiamo scoperto che questo non è una qualche anomalia di questo ridicolo batterio capace di illuminarsi nel buio dell'oceano dove vive tutti i batteri hanno un comportamento analogo Quindi adesso sappiamo che tutti i batteri possono colloquiare fra loro usando parole chimiche e riconoscendole scatenano comportamenti collettivi che hanno successo solo se tutti batteri si comportano all'unisono questo comportamento ha un nome altisonante chiamato 'quorum sensing' nel senso che votano chimicamente i voti vengono conteggiati e tutti rispondono al risultato del voto

Quello che conta in questa chiacchierata è che sappiamo che vi sono centinaia di comportamenti che i batteri adottano in questo modo collettivo ma il più importante per voi è probabilmente la virulenza Non è che un paio di batteri entrano nel vostro corpo cominciano a secernere tossine -- voi siete enormi, pochi batteri non avrebbe effetto alcuno su di voi. Siete grandi. Quello che fanno, adesso lo sappiamo, è di entrare in voi, aspettare, cominciare a riprodursi si contano fra loro usando queste piccole molecole e si accorgono quando il numero è sufficiente e se tutte le cellule batteriche lanciano il loro attacco virulento contemporaneamente hanno la possibilità di abbattere il loro enorme ospite. I batteri controllano la patogenesi col meccanismo del quorum sensing Funziona così

Siamo poi andati a vedere come sono fatte queste molecole quelle indicate con i triangoli rossi nelle slides precedenti questa è la molecola emessa da Vibrio fischeri la parola che usa per comunicare Poi abbiamo dato un' occhiata ad altri batteri e questa è solo un abbozzo di quello che abbiamo scoperto Quello che spero notiate è che le molecole sono della stessa famiglia la parte sinistra della molecola infatti è identica in ogni specie di batterio ma quella destra è un pochino diversa in ogni specie quello che fa è di conferire una delicata specificità di linguaggio ad ogni specie. Ogni molecola si adatta al ricettore del suo partner ed a nessun altro permettendo così conversazioni private e segrete Queste sono conversazioni tra membri della stessa specie ogni batterio usa una particolare molecola che è il suo dialetto che gli permette di contare i suoi simili.

Arrivati a questo punto abbiamo pensato che cominciavamo a capire il comportamento sociale di questi batteri ma quello che pensavamo veramente era che nella maggior parte dei casi i batteri non vivono isolati ma in una incredibile crogiuolo assieme a centinaia di migliaia di altre specie di batteri come rappresentato in questa immagine. Questa è la vostra pelle. Così questa è l'immagine – una microrappresentazione della vostra pelle. in ogni parte del corpo le cose sono pressappoco così e spero possiate vedere che c'è ogni sorta di batteri laggiù e quindi cominciammo a pensare che comunicazione tra batteri e conteggio dei propri simili nelle vicinanze non è sufficiente essere capaci di parlare con gli appartenenti alla propria specie doveva esserci un modo di censire il resto della popolazione batterica

Così abbiamo invocato la biologia molecolare di nuovo e studiato batteri diversi e quello che abbiamo trovato è che in effetti i batteri sono poliglotti hanno tutti una sistema specifico della specie una molecola che dice 'noi' ed accanto un sistema analogo che abbiamo scoperto essere generico un altro enzima che emette un secondo segnale che ha il suo ricettore particolare e questa seconda molecola è il linguaggio comune dei batteri usato da batteri di specie diverse quindi è il linguaggio di comunicazione inter-specie Così i batteri sono capaci di contare quanti 'me' e quanti 'altri' ci sono. Recepiscono questa informazione e decidono quale comportamento adottare sulla base di qual'è la minoranza e qual'è la maggioranza in ogni popolazione.

Con l'uso della chimica abbiamo isolato la molecola generica rappresentata dagli ovali rosa nelle mie slides: eccola è un piccola molecola di 5 atomi di carbonio la cosa importante è che abbiamo imparato è che ogni batterio ha esattamente lo stesso enzima e produce esattamente la stessa molecola tutti usano questa molecola per la comunicazione inter-specie. è l'Esperanto dei batteri

(Risate)

Arrivati a questo punto abbiamo capito che i batteri possono comunicare tra loro con questo linguaggio chimico ma cominciavamo a pensare come usare questa informazione praticamente Vi ho spiegato il comportamento sociale di questi batteri che comunicano tramite queste molecole naturalmente vi ho anche detto che una cosa importante che fanno è che iniziano la patogenesi usando il sistema di 'quorum sensing' Ci siamo chiesti che succede se impediamo ai batteri di parlarsi e di sentirsi? Potrebbero essere questi i nuovi antibiotici?

Naturalmente avrete sentito parlare o sapete già che stiamo esaurendo gli antibiotici i batteri di oggi sono incredibilmente resistenti a molte medicine e questo perchè gli antibiotici che usiamo uccidono i batteri o perforano la membrana del batterio o gli impediscono di replicare il suo DNA Uccidiamo i batteri con gli antibiotici tradizionali e così si selezionano le mutazioni capaci di resistere Così adesso abbiamo questo problema globale di malattie infettive Allora abbiamo pensato di modificar in qualche modo il comportamento dei batteri costringendoli a non colloquiare e a non contarsi e quindi impedirgli di lanciare attacchi virulenti.

Ed proprio quello che abbiamo fatto usando due strategie nella prima abbiamo colpito il sistema di comunicazione intra-specie. Abbiamo creato molecole simili a quelle reali che avete visto -- ma un po' diverse che si accoppiano ai ricettori ed impediscono a questi ultimi di avvertire la reale situazione Focalizzandoci sul sistema in rosso riusciamo a produrre molecole anti 'quorum sensing' per una specie particolare e per una malattia particolare Poi abbiamo fatto la stessa cosa agendo sul sistema rosa. Abbiamo cambiato un po' la molecola universale in modo da renderla inibitoria del sistema di comunicazione inter-specie La speranza è che questi possano essere usate come antibiotici a largo spettro che cioè funzionino con tutti i batteri.

Per concludere vi mostrerò la strategia qui sto usando la molecola inter-specie ma la logica è esattamente la stessa Sapete che quando il batterio entra nell'animale in questo caso un topo non inizia la virulenza immediatamente Entra, cresce, secerne la sua molecola 'quorum sensing' si accorge quando il numero è sufficiente ed allora lancia l'attacco virulento e l'animale muore Siamo stati in grado di creare infezioni virulente in combinazione con le molecole anti 'quorum sensing' molecole che sono simili alle reali ma leggermente diverse che ho indicato qui nella diapositiva Quello che sappiamo è che se iniettiamo nell'animale un batterio patogeno - un batterio patogeno resistente alle molte medicine - e contemporaneamente iniettiamo la molecola anti-quorum sensing l'animale sopravvive

Pensiamo che questa sia la nuova generazione di antibiotici che ci permetteranno di superare almeno all'inizio questo grosso problema di resistenza alle medicine Spero di avervi convinto che i batteri possono comunicare fra loro usando parole chimiche ma hanno un lessico chimico molto complicato che siamo cominciando a comprendere solo ora Naturalmente quello che questo meccanismo permette ai batteri di fare è di essere multicellulari e, nello spirito di TED, lo fanno tutti assieme perchè l'unione fa la differenza. Succede che questi batteri hanno questo comportamento collettivo che permette loro di compiere cose che non potrebbero mai realizzare se agissero in solitudine

Spero inoltre di potervi convincere che questa è l'invenzione della multicellularità. I batteri hanno abitato sulla terra per miliardi di anni gli esseri umani per solo duecentomila per cui pensiamo che i batteri abbiano inventato le regole di funzionamento dellle organizzazioni multicellulari. Crediamo che studiando i batteri possiamo apprendere molto sul funzionamento multicellulare del corpo umano Sappiamo che i principi e le regole se possiamo comprenderli in questi organismi primitivi la speranza è che si applichino anche alle malattie dell'uomo ed al comportamento umano Spero che quello che avete imparato è che i batteri distinguono i loro simili dagli altri usando queste molecole possono dire 'io' e 'tu' Che naturalmente è quello che facciamo anche noi uomini sia molecolarmente che nel mondo esterno ma io penso al mondo molecolare

Questo è esattamente quello che succede nel vostro corpo non è che le cellule del vostro cuore e quelle dei vostri reni si mescolino ogni giorno e questo perchè c'è tutta questa chimica circolante queste molecole che riconoscono a quale di questi gruppi appartengono e quale è il proprio compito. Crediamo che i batteri abbiano inventato questo meccanismo e che voi abbiate evoluto alcune migliorie esteriori ma le idee di base siano in questi semplici sistemi che possiamo studiare.

L'ultima cosa è che, focalizzando l'aspetto pratico della ricerca, è che abbiamo creato queste molecole anti 'quorum sensing' che vengono sviluppate come una nuova linea di medicine ma per finire con una pubblicità a favore di tutti i buoni e miracolosi batteri che vivono sulla terra. Abbiamo anche creato molecole pro 'quorum sensing'. Abbiamo sperimentato su alcuni sistemi con molecole incentivanti Ricordatevi che esistono 10 volte tante cellule batteriche in e su di voi che vi mantengono sani Cerchiamo inoltre di migliorare la conversazione dei batteri che vivono simbioticamente con voi con la speranza di migliorare la vostra salute migliorando queste conversazioni in modo che i batteri facciano quello che vogliamo facciano meglio di quando lavorano nel loro modo naturale.

In fine volevo mostrarvi la mia gang all'Univerità di Princeton Tutto quello che vi ho raccontato è stato scoperto da qualcuno in quella foto Spero che quando imparate qualcosa su come funziona il mondo della natura Voglio dire che ogni qualvolta leggete qualcosa sul giornale o vi capita di sentire una notizia strana sul mondo naturale è stato scoperto da un ragazzo La scienza è fatta da questi giovani tutti questi ragazzi hanno tra i 20 e i 30 anni e sono il motore che produce le scoperte scientifiche in questo paese ed è una fortuna lavorare con loro io continuo ad invecchiare ma loro rimangono sempre della stessa età ed è un lavoro pazzo e bellissimo Voglio anche ringraziarvi per avermi invitato qui. E' un grande piacere partecipare a questa 'conference'.

(Applauso)

Grazie

(Applauso)