Bonnie Bassler over hoe bacteriën communiceren

Bacteriën zijn de oudste levende organismen op aarde. Ze zijn hier al miljarden jaren, en het zijn ééncellige microscopische organismen. Ze bestaan dus uit één cel en ze hebben de speciale eigenschap dat ze maar één stuk DNA hebben. Ze hebben erg weinig genen en genetische informatie om alle eigenschappen die ze hebben te coderen. En de manier waarop bacteriën leven is dat ze nutriënten uit de omgeving opnemen, ze groeien tot twee keer hun grootte, hakken zichzelf door het midden, en zo wordt één cel twee, enzovoorts. Ze groeien gewoon en delen, groeien en delen -- het is een saai leven, behalve dat ik zou zeggen dat er een verbazingwekkende interactie is tussen deze wezentjes.

Ik weet dat jullie jezelf als mensen zien, en dit is ongeveer hoe ik dat zie. Deze man stelt een gewoon mens voor, en alle cirkels in die man zijn de cellen die je lichaam vormen. Er zijn ongeveer een biljoen cellen die ons maken tot wat we zijn en die de dingen doen die we kunnen doen, maar je hebt tien biljoen bacteriën in je en op je op elk moment van je leven. Dus, tien keer zoveel bacteriën als menselijke cellen in een mens. En natuurlijk is het het DNA dat telt, alle A's, T's, G's en C's die je genetische code vormen, en die je al je charmante eigenschappen geven. Jij hebt ongeveer 30.000 genen. Nou, het blijkt dat je 100 keer zoveel bacteriegenen hebt die een rol in en op je spelen tijdens je leven. Je bent op zijn best 10 procent mens, maar waarschijnlijk ongeveer één procent, afhankelijk van welke van deze criteria je gebruikt. Ik weet dat je jezelf als mens ziet, maar ik zie je als 90 of 99 procent bacterie.

(gelach)

Deze bacteriën zijn geen passieve passagiers, ze zijn heel belangrijk, ze houden ons in leven. Ze bedekken ons als een onzichtbaar pantser dat ons beschermt tegen invloeden van buiten zodat we gezond blijven. Ze verteren ons voedsel, ze maken onze vitaminen, ze leren zelfs ons immuunsysteem slechte microben te weren. Ze doen al deze geweldige dingen die ons helpen en onmisbaar zijn om ons in leven te houden en ze komen er niet eens voor in de krant. Ze komen wel in de krant voor de vele verschrikkelijke dingen die ze doen. Er zijn veel soorten bacteriën op aarde die nooit iets in of op je te zoeken hebben, en die je verschrikkelijk ziek maken als ze er wel zijn.

En dus is de vraag voor mijn lab of je wil nadenken over alle goede dingen die bacteriën doen, of alle slechte dingen. De vraag was hoe ze überhaupt iets kunnen doen. Ik bedoel maar, ze zijn enorm klein, je moet door een microscoop kijken om ze te zien. Ze hebben zo'n saai leven waarin ze groeien en delen, en ze werden altijd gezien als van die niet-sociale, teruggetrokken organismen. En dus leek het ons dat ze simpelweg te klein waren om invloed te hebben op de omgeving als ze gewoon als eenlingen werken. Daarom wilden we weten of bacteriën in feite niet op een andere manier leven.

Een aanwijzing kwam van een andere bacterie uit de zee, en het heet Vibrio fischeri. Wat je hier ziet is gewoon iemand van mijn lab die een fles met een vloeibare cultuur van een bacterie vasthoudt, een onschuldige, mooie bacterie die uit de oceaan komt, Vibrio fischeri. Deze bacterie heeft de bijzondere eigenschap dat het licht geeft, het maakt dus bioluminescentie, net als vuurvliegen licht maken. We doen hier niks met de cellen. We namen gewoon de foto door het licht uit te doen, en dit is wat je ziet.

Wat er vooral interessant aan was voor ons is niet dát de bacteriën licht geven, maar wannéér ze dat doen. Wat we opmerkten is dat wanneer de bacteriën alleen waren, wanneer ze in een verdunde oplossing waren, ze geen licht gaven. Maar wanneer ze een bepaald aantal bereikten begonnen ze allemaal tegelijk licht te geven. De vraag die we nu hadden was, hoe kunnen bacteriën, deze eenvoudige organismen, weten wanneer ze alleen zijn, en wanneer ze met velen zijn, en dan samen iets gaan doen. We hebben ontdekt dat ze dat doen door met elkaar te spreken, en dat ze een chemische taal spreken.

Dit stelt nu mijn bacteriecel voor. Wanneer ze alleen is maakt ze geen licht. Maar wat ze wel doet is het uitscheiden van kleine moleculen die je als een soort hormonen kan zien, dat zijn de rode driehoeken, en wanneer de bacteriën alleen zijn drijven de moleculen weg en is er geen licht. Maar als de bacteriën groeien en verdubbelen, en ze allemaal meedoen aan het maken van deze moleculen, neemt de hoeveelheid van het molecuul evenredig met het aantal cellen toe. En wanneer het molecuul in een bepaalde hoeveelheid aanwezig is weten de bacteriën met hoevelen ze zijn, ze herkennen het molecuul en alle bacteriën zetten tegelijk het licht aan. Dat is hoe bioluminescentie werkt -- ze spreken met deze chemische woorden.

De reden dat Vibrio fischeri dit doet komt uit de biologie. En weer een aanbeveling voor de dieren in de oceaan, Vibrio fischeri leeft in deze pijlinktvis. Je kijkt nu naar Euprymna scolopes, en het is op zijn rug gelegd, en wat ik hoop dat je kan zien zijn deze twee lichtgevende stukken, hierin leven de Vibrio fischeri, ze leven er in grote aantallen, het molecuul is er, en ze maken licht. De reden dat de inktvis de bacterie daar laat leven is omdat het het licht wil. De manier waarop de symbiose werkt is dat deze kleine inktvis net buiten de kust van Hawaï leeft, in kniediep water. De inktvis is 's nachts actief, en overdag begraaft hij zichzelf in het zand en slaapt hij, maar 's nachts moet hij komen jagen. Tijdens heldere nachten wanneer er veel licht van sterren en de maan is kan dat licht tot op de diepte in het water waar de inktvis leeft doordringen omdat het heel ondiep is. De inktvis heeft een sluiter ontwikkeld die dit gespecialiseerde lichtorgaan met de bacteriën kan openen en sluiten. Hij heeft ook detectoren op zijn rug waarmee hij kan waarnemen hoe licht het boven hem is. En hij opent en sluit de klep zodat de hoeveelheid licht aan de onderkant -- dat de bacterie maakt -- precies hetzelfde is als de hoeveelheid aan zijn bovenkant, zodat de inktvis geen schaduw maakt. Hij gebruikt het licht van de bacteriën eigenlijk om zichzelf weg te belichten en zo te voorkomen dat roofdieren hem zien, zijn route berekenen en hem opeten. Dit is zeg maar de onzichtbare bommenwerper uit de oceaan.

(gelach)

Maar als je erover nadenkt heeft de inktvis een groot probleem, omdat hij met een dikke, stervende cultuur van bacteriën zit die hij niet kan onderhouden. En elke morgen wanneer de zon opkomt, begraaft de inktvis zich om te gaan slapen. Hij heeft een pomp gestuurd door zijn circadiaans ritme, die wanneer de zon opkomt, zo'n 95% van de bacteriën naar buiten pompt. Nu zijn er weinig bacteriën, dat hormoonmolecuul is weg, dus maken ze geen licht -- maar dat maakt de inktvis niet uit. Het ligt in het zand te slapen. En tijdens de dag verdubbelt het aantal bacteriën, die scheiden het molecuul uit, en het licht gaat 's nachts aan, precies wanneer de inktvis dat wil.

Eerst hebben we ontdekt hoe de bacterie dit doet, maar daarna brachten we de gereedschappen van de moleculaire biologie erbij om uit te vinden hoe het mechanisme echt werkt. En wat we ontdekten -- dus dit moet weer mijn bacteriecel voorstellen -- is dat Vibrio fischeri een eiwit heeft -- dat is de rode rechthoek -- het is een enzym dat het kleine hormoonmolecuul maakt -- de rode driehoek. En wanneer de cellen groeien, laten ze allemaal dat molecuul los in de omgeving, dus er is daar een hoop van. En de bacteriën hebben ook een receptor op hun celoppervlak dat als een sleutel en slot bij het molecuul past. Dit zijn receptoren zoals die ook op jouw cellen voorkomen. Wanneer er een bepaalde hoeveelheid van het molecuul is -- dat zegt iets over het aantal cellen -- grijpt het op de receptor aan en het gegeven komt de cellen in dat de cellen vertelt om deze gezamenlijke lichtproductie aan te zetten.

De reden dat dit belangwekkend is, is dat we tijdens de laatste tien jaar hebben ontdekt dat dit niet gewoon een gekkigheid is van deze belachelijke, lichtgevende bacterie die in de oceaan leeft -- alle bacteriën hebben zo'n systeem. Wat we nu dus weten is dat alle bacteriën met elkaar kunnen spreken. Ze maken chemische woorden, en herkennen die, en ze laten groepsgedrag zien dat alleen slaagt wanneer alle cellen eraan meewerken. We hebben hier een leuke naam voor, we noemen het quorumsensen. Ze stemmen met hun chemische stem, de stemmen worden geteld, en dan reageren ze allemaal op de stemming.

Wat voor dit praatje belangrijk is, is dat we weten dat er honderden gedragingen zijn die bacteriën uitvoeren op deze gemeenschappelijke manier. Maar de belangrijkste voor jullie is waarschijnlijk virulentie. Het is niet alsof er een paar bacteriën bij je binnenkomen en dat ze dan beginnen giffen uit te scheiden -- je bent gigantisch, dat zou geen effect op je hebben. Je bent enorm groot. Wat ze doen, zoals we nu weten, is dat ze binnenkomen, wachten, beginnen te groeien, hun aantallen tellen met deze kleine moleculen, en ze herkennen het wanneer ze het juiste aantal hebben zodat wanneer ze allemaal tegelijk giffen gaan maken, ze het voor elkaar kunnen krijgen een enorme gastheer te overwinnen. Bacteriën beheersen pathogeniciteit altijd met quorumsensen. Zo werkt dat.

We zijn toen ook naar deze moleculen gaan kijken -- de rode driehoeken in mijn eerdere afbeelding. Dit is het molecuul van Vibrio fischeri. Dit is het woord waar het mee spreekt. Daarna zijn we dus naar andere bacteriën gaan kijken, en dit zijn maar een paar van de moleculen die we ontdekt hebben. Wat ik hoop dat je kan zien, is dat de moleculen op elkaar lijken. De linkerkant van het molecuul is hetzelfde bij alle verschillende soorten bacteriën. Maar de rechterkant van het molecuul is ietwat verschillend in elke soort. Dat verleent uitstekende soorteigenheid in deze talen. Elke molecuul past in de bijbehorende receptor, en niet in een andere. Dus dit zijn besloten, geheime gesprekken. Deze gesprekken zijn voor mededelingen binnen de soort. Elke bacterie gebruikt een bepaald molecuul als eigen taal, dat het in staat stelt zijn soortgenoten te tellen.

Toen we dit wisten, dachten we dat we begonnen te begrijpen dat bacteriën sociaal gedrag vertonen. Maar waar we echt over aan het denken waren is dat bacteriën meestal niet op zichzelf leven, maar in ongelofelijke mengsels, met honderden of duizenden andere soorten bacteriën. En dat zie je op deze afbeelding. Dit is je huid. Dit is dus gewoon een foto -- een microfoto van je huid. Over je hele lichaam ziet het er ongeveer zo uit, en wat ik hoop dat je kan zien is dat er veel verschillende soorten zijn hier. En dus begonnen we te denken dat als dit echt over communicatie in bacteriën gaat, over het tellen van je buren, is het niet genoeg om alleen met je eigen soort te kunnen spreken. Er moet een manier zijn om erachter te komen wat er verder aan bacteriën is in de gemeenschap.

Dus gingen we terug naar de moleculaire biologie en begonnen verschillende bacteriën te bestuderen en wat we nu hebben gevonden is dat bacteriën in wezen meertalig zijn. Ze hebben allemaal een soorteigen manier -- ze hebben een molecuul dat "ik" zegt. Maar dan, daarnaast hebben ze een tweede manier die we ontdekt hebben, die algemeen is. Dus, ze hebben een tweede enzym dat een tweede woord maakt en dat een eigen receptor heeft, en dit molecuul is de handelstaal van bacteriën. Het wordt door alle bacteriën gebruikt en het is de taal voor mededelingen tussen soorten. Wat er gebeurt, is dat bacteriën kunnen tellen hoeveel van ons en hoeveel van jullie er zijn. Ze nemen die gegevens op, en beslissen welke taken ze gaan uitvoeren afhankelijk van wie de minderheid vormt en wie in de meerderheid in een gemeenschap

Dan gaan we weer naar scheikunde, en we ontdekten welke stof dit algemene woord vormt -- dat waren de roze ovalen op mijn laatste afbeelding, dit is het. Het is een heel klein molecuul met vijf koolstofatomen. Het belangrijke dat we hebben geleerd is dat elke bacterie precies hetzelfde enzym heeft en precies hetzelfde molecuul maakt. Dus ze gebruiken dit molecuul allemaal voor boodschappen tussen soorten. Dit is het Esperanto van bacteriën.

(gelach)

Toen we dit wisten begonnen we te ontdekken dat bacteriën met elkaar kunnen spreken in deze chemische taal. Maar wat we begonnen te denken is dat er misschien ook iets praktisch is dat we hier mee kunnen. Ik heb verteld dat bacteriën al deze sociale gedragingen hebben, ze communiceren met deze moleculen. Ik heb je natuurlijk ook verteld dat één van de belangrijke dingen die ze doen, met quorumsensen, het beginnen van pathogeniciteit is. We dachten, wat als we de bacteriën veranderen, zodat ze niet kunnen spreken of verstaan? Zouden dat geen nieuwe antibiotica kunnen zijn?

Wat je natuurlijk al weet is dat onze antibiotica hun effectiviteit verliezen. Bacteriën zijn tegenwoordig ongelofelijk resistent voor vele medicijnen, en dat komt doordat alle antibiotica die we gebruiken bacteriën doden. Ze laten het membraan van de bacteriën barsten, ze zorgen dat bacteriën hun DNA niet kunnen repliceren. We doden bacteriën met traditionele antibiotica en zo selecteren we voor resistente mutanten. En nu hebben we natuurlijk dit wereldwijde probleem met infectieziekten. We dachten, nou ja, wat als we voor gedragsverandering konden zorgen, gewoon zorgen dat deze bacteriën niet kunnen spreken, niet kunnen tellen dan weten ze niet dat ze virulent moeten worden.

En dat is precies wat we hebben gedaan, en we hebben twee strategieën. Als eerste hebben we op het systeem voor communicatie binnen de soort gemikt. We hebben moleculen gemaakt die lijken op de echte -- die je zag -- maar ze zijn een beetje anders. En dus blokkeren ze de receptoren en verstoren de herkenning van de echte moleculen. Door het rode systeem aan te pakken kunnen we juist tegen één soort, of één ziekte, antiquorumsensmoleculen maken. We hebben hetzelfde gedaan met het roze systeem. We hebben het universele molecuul genomen en het iets veranderd waarmee we een antagonist hebben gemaakt tegen de communicatie tussen soorten. De hoop is dat deze gebruikt gaan worden als breedspectrumantibiotica die tegen alle bacteriën werken.

Als laatste zal ik gewoon de strategie laten zien. Hier gebruik ik alleen het molecuul voor tussen de soorten, maar de redenering is precies hetzelfde. Wat je weet is dat wanneer die bacterie een dier in komt, in dit geval een muis, het niet meteen met virulentie begint. Het komt binnen, gaat groeien, het begint met de uitscheiding van zijn quorumsensmoleculen. Het neemt het waar wanneer er genoeg bacteriën zijn en begint de aanval en het dier sterft. Wat ons gelukt is, is deze virulente infecties geven, maar dan samen met onze antiquorumsensmoleculen -- dat zijn de moleculen die op de echte lijken, maar die net anders zijn, zoals hier afgebeeld is. Wat we nu weten is dat als we het dier behandelen met een pathogene bacterie -- een stam die zeer resistent is -- en het gelijktijdig ons antiquorumsensmolecuul geven, het dier in feite blijft leven.

We denken dat dit de nieuwe generatie antibiotica is en dat het ons, ten minste even, om het grote probleem van de resistentie heen helpt. Wat ik hoop dat je denkt is dat bacteriën met elkaar kunnen spreken, dat ze chemische woorden gebruiken, dat ze een ongelofelijk ingewikkelde chemische woordenlijst hebben, en dat we daar nu eindelijk over beginnen te leren. Wat dit bacteriën in staat stelt te doen is meercellig te zijn. Dus, in de geest van TED, ze doen dingen samen omdat het een verschil maakt. Wat er gebeurt, is dat bacteriën dit gezamenlijke gedrag hebben, en dat ze taken uitvoeren die ze nooit zouden kunnen als ze als éénlingen opereerden.

Wat ik hoop dat ik verder kan stellen is dat dit de uitvinding van meercelligheid is. Bacteriën zijn al miljarden jaren op aarde. Mensen -- een paar honderdduizend. Wij denken dat bacteriën de regels uitvonden voor de werking van meercellige organisatie. We denken dat we in staat zullen zijn, door bacteriën te bestuderen, inzicht te krijgen in de meercelligheid van het menselijk lichaam. We weten dat de uitgangspunten en de regels, als we deze kunnen leren in deze min of meer primitieve organismen, de hoop is dat ze ook zullen worden toegepast op andere menselijke ziekten en gedragingen. Ik hoop dat wat je geleerd hebt, is dat bacteriën zelf van ander kunnen onderscheiden. Met deze twee moleculen kunnen ze "ik" en "jij" zeggen. Dat is natuurlijk wat wij ook doen, zowel op een moleculaire manier, als naar buiten toe, maar ik denk over de moleculaire dingen.

Dit is juist wat er in je lichaam gebeurt. Het is niet alsof je hart- en niercellen elke dag door elkaar raken, en dat komt omdat al deze scheikunde gaande is, deze moleculen die zeggen wat elk van deze groepen cellen is, en wat hun taken zijn. Nogmaals, wij denken dat bacteriën dat uitgevonden hebben, en wij hebben daar gewoon een paar grapjes meer aan toegevoegd, maar al deze gedachten zitten in deze eenvoudige systemen die we kunnen bestuderen.

Het laatste is, nogmaals te herhalen dat er een praktisch deel is, en we hebben dus deze antiquorumsensmoleculen gemaakt, die in ontwikkeling zijn als nieuwe medicijnen. Maar nu, om af te sluiten met een goede noot voor alle goede en bijzondere bacteriën die op aarde voorkomen, we hebben ook proquorumsensmoleculen gemaakt. We hebben deze systemen dus aangepakt om de moleculen beter te laten werken. Onthoud dat je tien of meer keer zoveel bacteriecellen hebt in je en op je, die je gezond houden. Wat we ook proberen te doen is het gesprek te versterken voor de bacteriën die als mutualisten met je leven, in de hoop dat je er gezonder door wordt, de gesprekken beter te maken zodat bacteriën de dingen beter kunnen doen die we willen dat ze doen dan ze op zichzelf zouden kunnen.

Nu nog wil ik graag laten zien: dit is mijn groep op Princeton in New Jersey. Alles wat ik verteld heb is ontdekt door iemand op die foto. Ik hoop dat wanneer je dingen leert, bijvoorbeeld over de werking van de natuurlijke wereld -- Ik wil gewoon zeggen dat wanneer je iets leest in de krant of je hoort een verhaal over iets belachelijks in de natuurlijke wereld het is ontdekt bij een kind. Wetenschap wordt gedaan door kinderen. Al deze mensen zijn tussen de 20 en 30 jaar en zij zijn de motoren die wetenschappelijke ontdekkingen voortstuwen in dit land. Het is een bijzonder fijne groep om mee te werken. Ik word ouder en ouder en zij hebben altijd dezelfde leeftijd, en het is gewoon een gekke, geweldige baan. Ik wil jullie bedanken dat jullie mij hebben uitgenodigd. Het is een groot feest voor mij om naar deze conferentie te komen.

(applaus)

Bedankt.

(applaus)