Bonnie Bassler om hvordan bakterier kommuniserer

Bakterier er de eldste levende organismer på jorda. De har vært her for milliarder av år og de er encellede mikroskopiske organismer. De er altså én celle og de har denne spesielle egenskapen at de har kun én del med DNA. De har veldig få gener, og lite genetisk informasjon for å kode alle funksjonene som de kan bruke. Bakterier tjener til livets opphold ved å bruke sine evner til å oppta næringsstoffer fra omgivelsene, deretter vokser de til det dobbelte av sin opprinnelig størrelse, så deler de seg i midten, og en celle blir til to, og så videre og så videre. De vokser og deler seg, vokser og deler seg -- altså et slags kjedelig liv, likevel vil jeg hevde at dere er i et forbløffende samspill med disse små krypene.

Jeg vet at dere ser på dere som mennesker, og det er vel omtrent slik jeg ser på dere også. Denne personen skal representere et generisk menneske, og alle sirkler i personen er samtlige cellene som kroppen deres består av. Det er omtrent en billiard menneskeceller som gjør enhver av oss til den vi er og i stand til å gjøre alt det vi gjør, men dere har 10 billiarder bakterie celler inn i dere eller på dere under hele livet deres. Altså, 10 ganger flere bakterieceller enn menneskeceller i et menneske. Og selvsagt, siden det er DNA som teller, her er alle A'ene, T'ene, G'ene og C'ene som det genetiske materialet består av, som gir dere alle de sjarmerende egenskapene. Dere har sirka 30.000 gener. Derfor har dere 100 ganger så mange bakterielle gener som spiller en rolle i dere eller på dere under hele livet. I beste fall er dere derfor 10 prosent menneske, men mer sannsynlig rundt en prosent menneske, avhengig av hvilken av disse målestokkene dere foretrekker. Jeg vet at dere ser på dere selv som mennesker, men jeg anser dere som 90 eller 99 prosent bakterier.

(Latter)

Disse bakterier er ikke passive omstreifere, de er meget viktige, de holder oss i live. De omgir oss med en usynlig skuddsikker vest som beskytter oss fra angrep fra omgivelsene slik at vi holder oss i god helse. De fordøyer maten vår, de lager våre vitaminer, faktisk lærer de immunsystemet deres til å stenge dårlige mikrober ute De gjør altså alt dette fantastiske som hjelper oss og er nødvendig for å holde oss levende, og likevel får de aldri noen hederlig omtale. Men de får en hel del oppmerksomhet fordi de gjør en masse forferdelige ting også. Det vil si, det er en masse bakterier på kloden som har ingenting å gjøre i dere eller på dere, og hvis de skulle være der, vil de gjøre dere veldig syke.

Og derfor blir spørsmålet for vår lab om hvorvidt dere helst vil tenke på alle de gode gjerninger til bakterier eller alle de dårlige gjerninger. Spørsmålet vi stilte oss, var hvordan kunne de egentlig gjøre noe som helst? De er jo så utrolig små, dere trenger et mikroskop for å se en av dem. De lever dette ensformede livet sitt der de vokser og deler seg, og de har alltid blitt sett på som disse usosiale og avsondrete organismer. Derfor trodde vi at de rett og slett var for små til å ha en innvirkning på sine omgivelser i den grad de bare agerte som individer. Og det var grunnen til at vi ville se om det ikke var en annen måte bakterier lever på.

Hintet i denne retning kom fra en annen marin bakterie ved navn Vibrio fischeri. Det dere ser på dette lysbilde er ganske enkelt noen fra min lab som holder en beholder med en væskekultur med bakterier, en harmløs og flott bakterie som kommer fra havet, kalt for Vibrio fischeri. Denne bakterie har den spesielle egenskap at den lager lys, eller bioluminescens, som lysbiller [også kalt "Sankthansormer"] lager lys. Vi gjør ingenting med cellene her. Vi tok bare dette bildet i det vi slo av lyset i rommet, og det er dette vi kan se.

Det som faktisk interesserte oss var ikke at bakterier lager lys, men når bakterier lager lys. Det som slo oss var at når bakteriene var alene, det vil si når de var i et fortynnet miljø laget de ikke lys, Men når de samlet seg og ble et visst antall celler ville alle sammen slå lyset på samtidig. Spørsmålet ble hvordan kan bakterier, disse primitive organismer, se forskjell på når de er alene og når de er sammen med andre for så å gjøre noe i felleskap. Det vi har funnet ut er at måten de gjør dette på er ved å snakke sammen, og de snakker et kjemisk språk.

Dette skal nå være min bakterie celle. Når den er alene lager den ikke noe lys. Men, den produserer og utsondrer små molekyler som dere kan forestiller dere som slags hormoner, og de er disse røde trekantene, og når bakterien er alene vil molekylet ganske enkelt flyte bort og dermed blir det ingen lys. Men når bakterien vokser og dobles og de alle sammen deltar i denne produksjonen av molekylene, dette molekyl -- den utenomcellulære andel av dette molekylet vil øke proporsjonalt med antall celler. Og når molekylet finns i en viss mengde, og dette så informerer bakteriene om hvor mange naboer det er, de vil nå gjenkjenne dette molekylet og samtlige bakterier vil nå slå på lys synkront. Det er slik bioluminescens fungerer -- de snakker med disse kjemiske ordene.

Årsaken til at Vibrio fischeri gjør dette er biologisk. Et nytt poeng for havdyrene, Vibrio fischeri lever i blekkspruten. Det dere ser her er en korthalet blekksprut fra Hawai, og den er snudd opp ned, og jeg håper dere kan se de to glødende lappene som huser Vibrio fischeri cellene, de lever inne i disse, i et høyt antall vil molekylet være der, og de lager lys. Grunnen til at blekkspruten tolererer disse småskurkene er at den ønsker seg dette lyset. Måten denne symbiosen foregår er at den lille blekkspruten lever rett utenfor kysten til Hawai, i grunt knedypt vann. Blekkspruten er et nattdyr, som på dagtid graver seg selv ned i sanden og sover, men så om natta vil den komme ut for å jakte. På lyse netter med stjerneskinn og månelys vil dette lyset kunne trenge gjennom vannet der blekkspruten holder til, siden det kun er snakk om sirka en meter dypt vann. Det blekkspruten har utviklet er en utløser som kan åpnes og lukkes over dette spesialiserte lysorgan som huser bakteriene. Så har det detektorer på bakre del som kan sanse hvor mye stjerne-og månelys treffer dens bakre del. Og den åpner og lukker utløseren slik at mengden lys som kommer nedenfra -- produsert av bakteriene -- tilsvarer nøyaktig mengden lys som treffer blekksprutens bakre del, slik at blekkspruten ikke lager skygger. Den bruker faktisk lyset fra bakteriene til å mot-belyse seg selv, i et anti-predator system som fjerner skygger som eventuelle rovdyr kunne ha sett, den regner ut rovdyrets bane, og spiser den. Dette er som havets 'stealth'-bombefly.

(Latter)

Tenk på dette, blekkspruten har dette store problemet med disse døende, tjukke bakteriekulturer i seg, og den klarer seg ikke med dette. Så det som skjer hver morgen ved soloppgang er at blekkspruten vil gå til å sove, den graver seg ned i sanden, og den har en pumpe som er koblet til dens døgnrytme, og ved soloppgang vil den pumpe ut så mye som 95 prosent av bakteriene. Nå er de resterende bakteriene tynnet ut, de små hormon molekylene er borte, og derfor lager de ikke noe lys lenger - men blekkspruten bryr seg ikke, så klart. Den sover jo i sanden. I løpet av dagen vil bakteriene dobles i antall, de sender ut molekylet, og igjen vil lys slås på om natta, akkurat når blekkspruten ønsker det.

Først fant vi ut hvordan bakterien gjør dette, men så benyttet vi verktøy fra molekylærbiologien for å finne den reelle virkemåten. Og det vi fant -- så dette skal igjen være min bakterie celle -- er at Vibrio fischeri har et protein det er den røde boksen -- et enzym som lager dette lille hormon molekylet -- den røde trekanten. Og så, mens cellene vokste, vil alle sammen sende molekylet ut i miljøet rundt, slik at det er massevis av dette molekylet omkring der. Og bakterien har også en reseptor på sin celloverflate som passer som en nøkkel til en lås med dette molekylet. De er som reseptorene på deres celler. Når molekylet når en viss mengde -- som forteller noe om antall celler -- vil det låse seg til reseptoren og informasjonen når cellene som slår på denne kollektive atferden med å lage lys.

Dette er interessant fordi vi i det siste tiåret har funnet ut at dette ikke er et avvik hos denne komiske, lys-i-mørke-bakterien som lever i havet -- nei, alle bacterier har slike systemer. Det vi forstår nå, er at alle bakterier kan snakke med hverandre. De lager kjemiske ord, de oppfatter slike ord, og de utløser gruppeatferd som krever at samtlige celler bidrar unisont for å oppnå suksess. Vi har et 'fancy' navn for dette, quorum sansing. De avgir stemmer med disse kjemiske stemmesedler, sedlene blir talt opp, og så vil alle sammen svare i tråd med avstemningen.

Det viktige med dette tema i dag er at vi vet at det dreier seg om hundrevis av forskjellige atferdsmønstre som bakterier utøver i denne kollektive ånden. Men det som trolig har størst betydning for dere er virulens (giftighet). Her snakker vi ikke om en liten gjeng med bakterier som begynner å skille ut giftstoffer i dere -- dere er altfor store til at dette ville gi noen effekt. Dere er kjempestore. Vi forstår nå at de kommer seg inn, venter, begynner å vokse og blir mange, at de teller hvor mange de er gjennom disse molekyler, og vil så forstå tidspunktet der de er mange nok bakterieceller at dersom de angriper som samlet styrke, vil de kunne klare å overvinne en aldri så overveldende stor vert. Bakterier kontroller alltid sykdomsprosessen med 'quorum sansing'. Det er slikt det fungerer.

Vi gikk så over til å se nærmere på disse molekylene -- de røde trekantene på mine lysbilder fra i sted. Dette er Vibrio fischeri molekylet. Det er dette ordet som bakterien bruker for å snakke. Når vi deretter så til andre bakterier, og disse er kun et ørlite utvalg av slike molekyler som vi har oppdaget. Jeg håper det er klart for dere at molekylene er av samme type. Venstre siden av molekylet er identisk i absolutt alle bakteriearter. Men høyre siden av molekylet er litt forskjellig fra art til art. Gjennom dette blir uallminnelig artsavhengig informasjon en del av dette språket. Hvert av molekylene passer nøyaktig til partner reseptoren og ingen andre. Dette er altså private og konfidensielle konversjoner. Disse samtalene tjener kommunikasjon mellom arter. Forskjellige bakterier bruker egne molekyler til sitt språk, for å kunne telle antall av samme arten.

Nå som vi hadde kommet så langt, trodde vi å begynne å forstå at bakterier viser sosial atferd. Men det vi virkelig funderte på er at bakterier det meste av tiden ikke lever isolert, men i utrolige blandinger, med hundrevis eller tusenvis av andre bakteriestammer. Dette er avbildet på lysbildet her. Det viser huden deres. Dette er bare et bilde -- et mikroskop-bilde av huden deres. Overalt på kroppen, ser det nok så likt ut som dette, og jeg håper dere forstår at det vil være all slags typer bakterier her. Vi begynte å tenke at dersom dette faktisk dreier seg om kommunikasjon mellom bakterier, og det dreier seg om å telle naboene, vil det ikke være nok å snakke med sine egne. Det må være en måte å finne ut hvor mange det er av de andre bakterie-stammene i populasjonen.

Derfor gikk vi tilbake til molekylærbiologien og studerte flere forskjellige bakterier, og det vi fant nå var at bakteriene faktisk er fler-språklige. De har alle et artsspesifikt system -- de har et molekyl som betyr "meg". Men så, parallelt har vi oppdaget et annet system, et generisk system. De har altså et annet enzym som signaliserer noe annet, det har sin egen reseptor, og dette molekylet er handelsspråket for bakteriene. Det brukes av alle forskjellige bakterier og er et art-uspesifikt språk. Bakterier kan på denne måten telle antallet av oss og antallet av dere. De tar informasjonen til seg, og bestemmer hva de skal gjøre i forhold til hvem som er i mindretall og hvem som er i flertall i en gitt populasjon.

Vi tyr igjen til kjemi, for å finne ut av dette artsmessige molekylet -- de rosa ovalene på mitt siste lysbilde, her er det. Det er et veldig lite fem karbon molekyl. Det viktige vi lærte her er at hver bakterie har nøyaktige det samme enzym og lager nøyaktig samme molekyl. Så alle sammen benytter seg av dette molekylet for kommunikasjon mellom arter. Dette er den bakterielle esperanto.

(Latter)

Når vi hadde vi begynt å lære oss at bakterier kan snakke med hverandre med dette kjemiske språket. Vi begynte nå å spekulere i om det kunne være noe praktisk vi kunne gjøre her i tillegg. Jeg har nevnt for dere at bakterier har alle disse sosiale atferdsmønstre, at de kommuniserer med disse molekyler. Ikke minst var jeg inne på hvordan de igangsetter sykdomsfremmkallende angrep ved å bruke 'quorum sansing'. Vel, hva om vi kunne lage bakterier som ikke kan snakke eller ikke kan høre? Kunne det bli en ny type antibiotika?

Som dere sikkert har hørt går vi snart "tomme" for antibiotika. Bakterier er blitt veldig mye mer resistent for mange slike medisiner, på grunn av alle disse antibiotika som vi bruker for å drepe bakterier. Antibiotika sprenger bakteriemembranen, eller endrer bakterien slik at den ikke kan replisere DNA'et. Vi dreper bakterier med tradisjonelle antibiotika, og det selekterer for de resistente mutantene. Og derfor har vi nå intet mindre enn dette globale problemet med smittsomme sykdommer. Vi tenkte, hva om vi kunne gjøre en slags endring av atferden, gjøre dem til bakterier som kan verken snakke, telle, uten evne til å angripe oss.

Og det er dette vi gjør, vi forfølger to strategier. Den første går ut på å ramme det artsspesifikke kommunikasjonssystemet. Vi har laget molekyler som ser omtrent ut som de opprinnelige molekylene -- som dere har sett -- men med noen små forskjeller. De låser seg inn i reseptorene, og blokkerer mottakelsen av de ekte. Ved å ramme det røde systemet, kan vi gjøre det artsspesifikk, eller sykdomsspesifikke anti-quorum sansing molekyler. Vi gjorde det samme med det rosa systemet. Vi tok det universale molekylet, snudde det litt rundt og laget dermed motstykker til det artsuavhengige kommunikasjonssystemet. Vi håper dette vil kunne brukes i bredbånds-antibiotika mot all slags bakterier.

Avslutningsvis vil jeg vise dere strategien. I denne her bruker jeg kun arts-uspesifikke molekylet, men logikken bak er akkurat den samme. Dere vet at når bakterien kommer seg inn i dyret, i dette tilfelle, en mus, vil den vente med å angripe verten. Den kommer seg inn, vokser, utsondrer sine quorum sensum molekyer. Den forstår når de er mange nok til å kunne gå til angrep, og dyret vil til slutt dø. Vi kunne gi slike voldsomme infeksjoner, men nå skjer de samtidig med vår anti-quorum sansing molekyler -- så dette er er molekyler som ser ut som "ekte vare", bare en smule forskjellig, som jeg har avbildet på lysbildet. Vi vet at når vi infiserer dyret med et sykdomsframkallende bakterium -- et multi-resistent bakterium -- samtidig som vi tilfører våre anti-quorum sansing molekyler, vil dyret faktisk klare seg.

Vi tror at at dette vil kunne bli neste generasjons antibiotikum og kunne holde oss i gang, i det minste til å begynne med, holde dette store resistens problemet i sjakk. Jeg håper dere nå er enige i at bakterier kan snakke med hverandre, at de bruker kjemiske stoffer som sine ord, at de har et meget komplisert kjemisk leksikon, som vi nettopp har begynt å forstå. Og dette vil gjøre bakterier istand til å blir flercellet. I tråd med med TED's ånd gjør de noe sammen for å utgjøre en forskjell. Bakterier har altså disse kollektive samhandlinger, og de kan utføre ting, som de aldri kunne ha klart å gjøre om de hadde opptredd som individer.

Jeg vil i tillegg forsøke å argumentere for at dette er også oppfinnelsen av "fler-cellet-liv". Bakterier har vært på denne jorden i milliarder av år. Mennesker -- noen hundre tusener. Vi tror at bakterier en gang lagde reglene for hvordan flercellete organisasjoner fungerer. Vi tror at ved å studere bakterier, vil vi få innsyn i flercellet liv i vår menneskelige kropp. Vi vet at prinsippene og reglene, om vi kan finne dem i disse mer eller mindre primitive organismer, og vi håper at dette vil kunne bli benyttet i forbindelse med menneskelig sykdom og atferd. Jeg håper dere nå kan se at bakterier kan skille mellom seg selv og andre. Ved å bruke disse to molekyler kan de si "meg" og de kan si "deg". Dette er jo selvsagt noe vi også gjør, både molekylært men også på en utadvendt måte, men altså om molekylære ting.

Dette er jo dette som skjer i kroppene deres. Det er jo ikke slik at hjerteceller og nyreceller blander seg hver dag, og det er fordi det foregår denne kjemien, disse molekylene som forteller hvilken av gruppene de tilhører, og hvilke oppgaver de har. Jeg gjentar, vi tror bakterier fant opp dette, og dere har kun utviklet en par triks på toppen, men alle ideene finnes i disse enklere systemer som vi kan studere.

En siste ting, for å understreke at det finnes praktiske mulgheter her, og derfor har vi jo laget disse anti-quorum sansing molekyler som er blitt utviklet som nye terapiformer. Men for å avslutte med litt reklame for alle de gode og mirakuløse bakterier som lever på jorda, vi har også konstruert noen pro-quorum sansing molekyler. Vi har målrettet disse systemer slik at molekylene fungerer bedre. La oss huske at dere har 10 ganger eller mer bakterielle celler inn i dere og på dere, for å passe på helsa. Vi prøver også å forbedre samtaleevnen til de bakterier som lever som mutualister med dere, på denne måten håper vi å gi dere bedre helse, ved å forbedre samtalen, da vil bakterier kunne gjøre ting vi ønsker dem å gjøre bedre enn de ville ha klart uten hjelp.

Til slutt vil jeg gjerne vise dere gjengen min ved Princeton, New Jersey. Alt jeg har berettet ble oppdaget av en eller annen på dette bildet. Forhåpentligvis når dere lærer nye ting, som f.eks. om naturen, noe dere leser i avisa eller hører noe merkelig om naturen, vil dette være verket til et barn. Vitenskap fungerer på denne demografiske måten. Alle sammen her er mellom 20 og 30 år gamle, og de er motoren til vitenskapelig oppdagelse i dette landet. Vi er virkelig heldig å kunne jobbe på denne måten. Jeg selv blir eldre og eldre, men de er alltid i samme alder, og det er rett og slett en forferdelig morsom jobb. Takk for å ha invitert meg hit. Det er en stor glede for meg at jeg fikk komme til denne konferansen.

(Applaus)

Takk.

(Klapping)