Bonnie Bassler apie tai, kaip bendrauja bakterijos

Bakterijos yra seniausi gyvi organizmai Žemėje. Jos čia yra jau milijardus metų, ir kas jos yra - tai vienaląsčiai mikroskopiniai organizmai. Taigi, jos yra vienaląstės ir turi tokią savybę: jos turi vieną DNR darinį. Jos turi mažai genų ir genetinės informacijos, kurioje užkoduoti visi jų vykdomi procesai. Ir bakterija gyvena vartodama aplinkoje esančias maistines medžiagas, jos užauga dvigubai didesnės, persiskiria per vidurį ir viena ląstelė tampa dviem, ir taip toliau. Jos tiesiog auga ir dalijasi, auga ir dalijasi - gan nuobodus gyvenimas, tik aš teigčiau, kad mes nepaprastai sąveikaujame su šiais padarais.

Aš žinau, kad jūs galvojate apie save kaip apie žmones, o štai kaip aš galvoju apie jus: šis vyras vaizduoja žmogiškąją būtybę, o visi apskritimai tame žmoguje yra ląstelės, kurios sudaro jūsų kūną. Maždaug trilijonas žmogiškų ląstelių padaro kiekvieną iš mūsų tuo, kuo esame, ir leidžia daryti dalykus, kuriuos darome, bet 10 trilijonų bakterijų ląstelių yra jumyse ar ant jūsų bet kuriuo jūsų gyvenimo momentu. Taigi, 10 kartų daugiau bakterijų ląstelių, negu žmogiškųjų ląstelių ant žmogaus organizmo. Ir, žinoma, mums svarbu DNR. Taigi štai visi A, T, G ir C, kurie sudaro jūsų genetinį kodą ir suteikia jums visas jūsų kerinčias savybes. Jūs turite maždaug 30 000 genų. Pasirodo, turite 100 kartų daugiau bakterinių genų, kurie vaidina tam tikrą vaidmenį ant jūsų ar jumyse visą jūsų gyvenimą. Geriausiu atveju esate 10 procentų žmogus, bet labiau tikėtina, kad vienu procentu žmogus, priklausomai nuo to, kurie iš šių skaičių jums patinka. Žinau, kad galvojate apie save kaip apie žmones, bet aš galvoju apie jus kaip apie 90 ar 99 procentus bakterijų.

(Juokiasi)

Šios bakterijos nėra pasyvūs pakeleiviai, jos neįtikėtinai svarbios, jos palaiko mus gyvus. Jos padengia mūsų kūną nematomais šarvais, kurie apsaugo nuo neigiamo aplinkos poveikio, kad būtume sveiki. Jos virškina mūsų maistą, gamina mums vitaminus, tiesą sakant, jos moko jūsų imuninę sistemą neįsileisti blogų mikrobų. Taigi jos daro visus šiuos nuostabius dalykus, kurie padeda mums ir yra gyvybiškai svarbūs, kad įšgyventume ir niekas to neskelbia apie jas. Bet apie jas daug rašo, nes jos daro daug baisių dalykų taip pat. Taigi, Žemėje yra daugybė bakterijų rūšių, kurios neturi jokio reikalo būti jumyse ar ant jūsų bet kuriuo metu, o jeigu yra, tai jus stipriai susargdina.

Ir štai klausimas mano laboratorijai (ar galvojant apie visus gerus dalykus, kuriuos bakterijos daro, ar apie visus blogus dalykus), mūsų klausimas buvo: kaip jos apskritai gali ką nors padaryti? Aš noriu pasakyti, kad jos neįtikėtinai mažos, turi turėti mikroskopą, kad vieną tokią pamatytum. Jos gyvena nuobodų gyvenimą, kurio metu auga ir dalijasi ir jos visada laikytos asocialiais atsiskyrėliškais organizmais. Taigi mums pasirodė, kad jos tiesiog per mažos, kad kaip nors veiktų aplinką, jeigu jos paprasčiausiai veikia kaip individai. Taigi mes pagalvojome, kad galbūt bakterijos gyvena kitaip.

Užuominą į tai mes gavome iš vienos jūrinės bakterijos, ji vadinama Vibrio fischeri. Šioje skaidrėje jūs matote žmogų iš mano laboratorijos, laikantį mėgintuvėlį skysčio su bakterijomis, nekenksmingomis gražiomis bakterijomis, gyvenančiomis vandenyne, vadinamomis Vibrio fisheri. Šios bakterijos turi ypatingą savybę: jos skleidžia šviesą, jos skleidžia bioliuminescencinę šviesą kaip ir jonvabaliai. Čia mes nieko nedarome ląstelėms. Mes tiesiog nufotografavome išjungę šviesą kambaryje, ir štai, ką mes matome.

Kas mus iš tikrųjų domino, tai ne tai, kad bakterijos skleidė šviesą, bet tai, kada bakterijos skleidė šviesą. Mes pastebėjome: kai bakterijos buvo vienos, kai jos buvo atskiestoje suspensijoje, jos šviesos neskleidė. Bet kai jų padaugėjo iki konkretaus skaičiaus, visos bakterijos užsižiebė tuo pačiu metu. Mums kilo klausimas, kaip bakterijos, šie primityvūs organizmai, atskiria kartus, kai jos vienos, nuo kartų, kai jos yra bendruomenėje, ir tada visos kartu ką nors padaro. Mes išsiaiškinome, kad jos taip elgiasi, nes jos kalba viena su kita, ir jos kalba chemine kalba.

Tarkime, kad tai yra mano bakterinė ląstelė. Kai ji viena, ji šviesos neskleidžia. Bet ką ji daro - ji gamina ir išskiria mažas molekules, apie kurias galite galvoti kaip apie hormonus, jos yra maži raudoni trikampiai, ir kai bakterija yra viena, molekulės tiesiog nuplaukia ir todėl šviesa neįsižiebia. Bet kai bakterijos auga ir dvigubėja, ir jos visos dalyvauja gamindamos šias molekules, ląstelių išskiriamų molekulių kiekis padidėja proporcingai ląstelių skaičiui. Ir kai molekulių padaugėja iki konkretaus kiekio, kuris nusako, kiek yra kaimynių, jos atpažįsta tą molekulę ir visos bakterijos sinchroniškai įsižiebia. Štai kaip veikia bioliuminescencija: bakterijos kalba šiais cheminiais žodžiais.

Priežastis, dėl kurios Vibrio fisheri taip elgiasi, yra biologinės kilmės. Štai dar vienas pagiriamasis žodis gyvūnams vandenyne, Vibrio fisheri gyvena šiame kalmare. Jūs žiūrite į Havajietiškąjį trumpauodegį kalmarą, apverstą ant nugaros, ir aš tikiuosi, kad jūs matote šias dvi švytinčias skiltis - jose glaudžiasi Vibrio fisheri ląstelės. Ten gyvena dideli skaičiai ląstelių, ten yra tų molekulių ir ląstelės skleidžia šviesą. Kalmaras sutinka taikstytis su šiais įsibrovėliais, nes jis nori tos šviesos. Ši simbiozė veikia tokiu principu: šis mažas kalmaras gyvena Havajų pakrantėse, sekliuose vandenyse, gilumo sulig keliais. Kalmaras yra naktinis, tad dienos metu jis užsikasa smėlyje ir miega, bet naktį jis turi išlįsti medžioti. Giedromis naktimis, kai ryškiai šviečia žvaigždės ar mėnulis, ta šviesa gali prasiskverbti pro vandens sluoksnį, kuriame gyvena kalmaras, kadangi tai tik kelios pėdos vandens. Kalmaras turi išvystytą "diafragmą", kuri gali atsiverti ir užsiverti, atskleisdama ar paslėpdama šį specializuotą šviesos organą, gabenantį bakterijas. Taip pat jis turi detektorius ant nugaros, taigi gali jausti, kiek žvaigždžių ar mėnulio šviesos pasiekia jo nugarą. Jis atveria ir užveria diafragmą, todėl šviesos kiekis, sklindantis iš apačios, kurį skleidžia bakterijos, tiksliai sutampa su šviesos kiekiu, patenkančiu ant kalmaro nugaros, taigi kalmaras nemeta šešėlio. Jis naudoja bakterijų šviesą apsišviesti antigrobuonišku prietaisu, kad grobuonys nematytų jo šešėlio, nenustatytų jo judėjimo trajektorijos ir nesuėstų. Tai lyg pasislėpęs vandenyno bombonešis.

(Juokiasi)

Bet jei pamąstysite, kalmaras turi baisią problemą, nes jis turi mirštančią stambią bakterijų kultūrą, ir jos negali išsaugoti. Tad štai kas nutinka kiekvieną rytą, kai pakyla saulė: kalmaras grįžta miegoti, užsikasa smėlyje. Jis turi pompą, kuri veikia pagal jo paros ritmą, ir kai saulė pakyla, ši išpumpuoja apie 95 procentus bakterijų. Dabar bakterijos yra išretintos, tos mažos hormonų molekulės nebėra, tad bakterijos nešviečia, bet, žinoma, kalmarui tai nerūpi. Jis miega smėlyje. Dienai bėgant bakterijos dauginasi, jos išleidžia molekules ir šviesa įžiebiama naktį, tiksliai tada, kada kalmaras to nori.

Pirmiausiai mes išsiaiškinome, kaip tai bakterijos daro, bet tada mes pasitelkėme molekulinės biologijos įrankius, kad tiksliai išsiaiškintume, koks tai mechanizmas. Ir mes sužinojome (tarkim, kad tai vėlgi mano bakterinė ląstelė), kad Vibrio fisheri turi proteiną (raudona dėžutė) - tai fermentas, kuris gamina tas mažas hormonų molekules (raudoni trikampėliai). Kai ląstelės auga, jos visos išskiria tas molekules į aplinką, tad ten yra daug molekulių. Bakterijos taip pat turi receptorius ląstelių paviršiuje, kurie sutampa kaip spyna ir raktas su tomis molekulėmis. Šie yra tokie pat kaip receptoriai ant jūsų ląstelių paviršių. Ir kai molekulė padidėja iki tam tikro kiekio, kuris kažką nusako apie ląstelių skaičių, ji įsikabina į tą receptorių ir ląstelei perduodama informacija, kuri pasako ląstelei pradėti kolektyviai veikti - skleisti šviesą.

Mums tai įdomu todėl, kad per pastarąjį dešimtmetį mes išsiaiškinome, kad tai nėra kokia nors šios absurdiškos šviečiančios vandenyno bakterijos anomalija - visos bakterijos turi tokias sistemas. Taigi dabar suprantame, kad visos bakterijos gali kalbėtis tarpusavyje. Jos gamina cheminius žodžius, jos atpažįsta tuos žodžius ir tada pradeda veikti kaip grupė, kas būna sėkminga tik tada, kai jos visos dalyvauja drauge. Mes turime tam įmantrų pavadinimą, vadiname tai kvorumo jutimu. Jos balsuoja šiais cheminiais balsais, balsai suskaičiuojami ir tada visi atsako į balsavimą.

Šiandienos pranešimui svarbu tai, kad mes žinome, jog yra šimtai elgsenų, kurias bakterijos vykdo šitaip visos drauge. Bet tikriausiai jums pati svarbiausia - infekcijos. Nėra taip, kad į jus patenka keletas bakterijų ir tada pradeda išskirti kokius nors toksinus - jūs esate didžiuliai, tai neturėtų jums jokio poveikio. Jūs milžiniški. Mes dabar suprantame, ką jos daro: jos patenka į jus, laukia, pradeda augti, skaičiuoja viena kitą šiomis mažomis molekulėmis ir supranta, kada yra reikalingas ląstelių skaičius, kai, visoms bakterijoms užkrečiamai atakuojant kartu, joms pasiseks nugalėti didžiulį šeimininką. Bakterijos visada kontroliuoja užkrečiamumą kvorumo jutimu. Štai kaip tai veikia.

Tada mes pabandėme pažiūrėti, kas yra tos molekulės - šios buvo raudoni trikampėliai mano ankstesnėse skaidrėse. Tai yra Vibrio fisheri molekulė. Tai yra žodis, kuriuo ji kalba. Taigi mes pradėjome žiūrėti į kitas bakterijas, tai tik maža dalelė molekulių, kurias mes atradome. Tikiuosi, matote, kad molekulės yra susijusios. Kairioji molekulių dalis yra identiška visoms bakterijų rūšims. Bet dešinioji molekulės dalis šiek tiek skiriasi kiekvienai rūšiai. Tai suteikia skirtumus šių rūšių kalboms. Kiekviena molekulė atitinka receptorių - partnerį ir jokio kito. Tai yra privatūs, slapti pašnekesiai. Šie pašnekesiai skirti rūšies vidinei komunikacijai. Kiekviena bakterija naudoja konkrečią molekulę, kuri yra jos kalba, kuri suteikia galimybę suskaičiuoti giminaičius.

Kai jau nusigavome taip toli, pagalvojome, kad pradedame suprasti, jog bakterijos veikia kolektyviai. Bet iš tikrųjų mes mąstėme apie tai, kad didžiąją laiko dalį bakterijos negyvena atsiskyrusios, o gyvena neįtikėtinais mišiniais su šimtais ar tūstančiais kitų bakterijų rūšių. Ir tai pavaizduota šioje skaidrėje. Tai yra jūsų oda. Tai tik nuotrauka - jūsų odos mikronuotrauka. Jūsų kūno paviršius visur atrodo panašiai, tikiuosi, matote, kad ten yra įvairių bakterijų. Tada mes pradėjome galvoti, ar tai tikrai skirta bakterijų komunikacijai ir kaimynų skaičiavimui. Negana gebėti susišnekėti su savo rūšimi. Turi būti būdas suskaičiuoti likusias bakterijas populiacijoje.

Taigi grįžome prie molekulinės biologijos ir pradėjome studijuoti skirtingas bakterijas, ir tada išsiaiškinome, kad tikrai bakterijos yra daugiakalbės. Jos visos turi savo rūšies sistemą - jos gamina molekulę, kuri sako "aš". Bet taip pat yra ir antra sistema, kuri, mes sužinojome, yra bendra. Taigi jos turi antrą fermentą, kuris gamina antrą signalą, o jis atitinka receptorius, ir ši molekulė yra bakterijų visuotinė kalba. Ji naudojama visų skirtingų bakterijų ir yra skirta tarprūšinei komunikacijai. Bakterijos gali susiskaičiuoti, kiek yra "mūsų" ir kiek yra "jūsų". Jos priima šią informaciją ir nusprendžia, ką toliau daryti, priklausomai nuo to, kas yra mažuma ir kas - dauguma duotoje populiacijoje.

Tada vėl gręžiamės į chemiją. Mes išsiaiškinome, kad ta bendrinė molekulė (ji buvo rožinis ovalas mano paskutinėje skaidrėje) yra štai kas: labai maža molekulė, sudaryta iš penkių anglies atomų. Svarbus dalykas, kurį sužinojome, yra tai, kad visos bakterijos turi tiksliai tokį patį fermentą ir gamina tiksliai tokias pat molekules. Taigi jos visos naudoja šią molekulę tarpkultūrinei komunikacijai. Tai bakterinė esperanto kalba.

(Juokas)

Pažengę taip toli, pradėjome suprasti, kad bakterijos gali susikalbėti šia chemine kalba. Bet pradėjome galvoti, kad galbūt yra kažkas praktiško, ką mes galime padaryti. Aš sakiau, kad bakterijos gali elgtis įvairiai socialiai, jos bendrauja tomis molekulėmis. Žinoma, taip pat sakiau, kad vienas iš svarbių dalykų, kuriuos jos daro, yra patogeninių ligų pradžia, naudojant kvorumo jutimą. Mes pagalvojome: kas jeigu priverstume šias bakterijas nekalbėti ar negirdėti? Ar tai negalėtų būti naujos rūšies antibiotikai?

Žinoma, jūs ką tik išgirdote ir jau žinote, kad mums baigiasi antibiotikai. Bakterijos šiuo metu yra neįtikėtinai atsparios įvairiems vaistams ir tai yra todėl, kad visi antibiotikai, naudojami žudyti bakterijoms, arba suardo bakterijos membraną arba paveikia bakteriją taip, kad ji nebegali dubliuoti savo DNR. Mes žudome bakterijas tradiciniais antibiotikais, kurie atrenka atsparius mutantus. Taigi dabar, žinoma, mes susiduriame su globalia problema infekcinių ligų sferoje. Mes pagalvojome: kas būtų, jei galėtume pakeisti jų elgesį, padaryti, kad šitos bakterijos negalėtų kalbėtis, skaičiuoti, nežinotų kada pradėti kenkti.

Būtent taip ir padarėme. Mes tarsi ėmėmės dviejų strategijų. Pirmąja mes nusitaikėme į rūšies vidaus komunikacinę sistemą. Mes pagaminome molekules, kurios atrodo kaip tikrosios molekulės, kurias jūs matėte, bet šiek tiek skiriasi. Taigi jos įstringa tuose receptoriuose ir "užkemša" tikrųjų molekulių atpažinimo sistemą. Veikdami raudonąją sistemą mes galime pagaminti antikvorumo jutimo molekules, pritaikytas specifinei rūšiai ar ligai. Mes taip pat pasielgėme su rožine sistema. Mes paėmėme tą universalią molekulę, ją šiek tiek pakeitėme ir pagaminome tarprūšinės komunikacijos sistemos priešininkus. Viliamasi, kad šie bus naudojami plataus spektro antibiotikams, kurie veikia prieš visas bakterijas.

Baigdama, pristatysiu jums strategiją. Šioje aš tiesiog naudoju tarprūšinę molekulę, bet logika yra lygiai tokia pati. Jūs žinote, kad kai ši bakterija patenka į gyvūną, šiuo atveju - į pelę, ji nepradeda skleisti užkrato iš karto. Ji įsiskverbia, pradeda augti, išskirti kvorumo jutimo molekules. Ji atpažįsta, kai yra pakankamai bakterijų, kurios dabar pradeda atakuoti ir gyvūnas miršta. Mes sugebėjome padaryti tai: infekuojame, bet kartu leidžiame ir antikvorumines jutimo molekules - tai yra molekulės, kurios labai panašios į tikrąsias, bet šiek tiek skiriasi, jas aš ir pavaizdavau šioje skaidrėje. Mes dabar jau žinome, kad jei užkrečiame gyvūną patogenine bakterija, kuri yra atspari įvairiems vaistams, tuo pat metu duodami antikvorumines jutimo molekules, gyvūnas iš tiesų išgyvena.

Mes manome, kad tai yra nauja antibiotikų karta ir ji padės apeiti, bent jau pradžioje, didžiąją atsparumo problemą. Tikiuosi, jūs suprantate tai, kad bakterijos gali susišnekėti, jos naudoja cheminius junginius vietoj žodžių, jos turi neįtikėtinai sudėtingą cheminį žodyną, kurio tik dabar pradedame mokytis. Žinoma, tai suteikia galimybę bakterijoms būti daugialąstėmis. Taigi TED'o dvasia, jos veikia kartu, ir taip jos keičia aplinką. Taigi kad bakterijos gali veikti kolektyviai ir įveikti tokias užduotis, kokių jos niekada neįvykdytų, jei elgtųsi kaip individai.

Tad manau, jog galėčiau teigti, kad tai nėra daugialąsčių būtybių išradimas. Bakterijos yra žemėje milijardus metų. Žmonės - keletą šimtų tūkstančių. Mes manome, kad bakterijos sukūrė taisykles daugialąsčių organizmų veiklai. Mes manome, kad studijuodami bakterijas, mes sugebėsime perprasti žmogaus kūno daugialąstiškumą. Mes žinome, kad principai ir taisyklės, jei sugebėsime juos suprasti šiuose primityviuose organizmuose, gali būti pritaikyti kitoms žmogiškoms ligoms ir taip pat žmogaus elgsenai. Tikiuosi, kad jūs sužinojote, jog bakterijos gali skirti save nuo kitų. Naudodamos šias dvi molekules jos gali pasakyti "aš" ir "jūs". Ir vėl, žinoma, tai mes darome tiek molekuliniu, kiek ir išoriniu būdu, bet aš galvoju apie molekulinius dalykus.

Tai yra būtent tai, kas vyksta mūsų kūne. Nėra taip, kad jūsų širdies ar inkstų ląstelės kasdien susimaišo ir tai yra dėl visų šių vykstančių cheminių reakcijų, šitų molekulių, kurios pasako, kas yra šios konkrečios ląstelių grupės ir kokios yra jų užduotys. Vėlgi, mes manome, kad tai išrado bakterijos, o jūs tiesiog išvystėte dar keletą papildomų įmantrybių, bet visos idėjos yra šiose paprastose sistemose, kurias mes galime tirti.

Galiausiai lieka vėl pakartoti, jog yra praktinė dalis ir kad mes pagaminome šias anti-kvoruminio jutimo molekules, kurios vystomos kaip nauja terapijos rūšis. Bet pabaigai, baigiant pagyrimu visoms geroms ir įstabioms bakterijos, kurios gyvena Žemėje, mes taip pat pagaminom skatinančias kvoruminį jutimą molekules. Taigi išskyrėme šias sistemas, kad paskatintume molekules veikti geriau. Prisiminkite, kad turite 10 kartų ar dar daugiau bakterinių ląstelių jumyse ar ant jūsų, padedančių išlikti sveikiems. Mes taip pat stengiamės paskatinti pokalbį tarp tų bakterijų, kurios gyvena su jumis sąjungoje, vildamiesi padaryti jus dar sveikesnius, paversdami tuos pašnekesius efektyvesniais, kad bakterijos darytų tai, ko mes iš jų norime, geriau, nei veikdamos po vieną.

Galiausiai, norėjau jums parodyti savo gaują Prinstone, Niu Džersyje. Viskas, apie ką jums pasakojau, buvo atrasta kieno nors toje nuotraukoje. Tikiuosi, kad kai sužinosite, pavyzdžiui, kaip veikia gamtos pasaulis... Tiesiog, kai tik perskaitysite ką nors laikraštyje ar išgirsite pranešmą apie kažką neįtikėtino gamtos pasaulyje, žinokit, tai atrasta vaiko. Moksliniai atradimai vykdomi šios demografijos. Visiems šiems žmonėms yra tarp 20 ir 30 metų ir jie yra šios šalies (JAV) mokslinių atradimų varomasis variklis. Man labai pasisekė dirbti su tokio amžiaus žmonėmis. Aš tampu senesnė ir senesnė, o jie visada tokio paties amžiaus, ir tai yra beprotiškai malonus darbas. Noriu padėkoti, kad mane pakvietėte. Man labai malonu dalyvauti šioje konferencijoje.

(Plojimai)

Ačiū.

(Plojimai)