Bonnie Bassler explica como as bactérias se comunicam

As bactérias são os mais antigos seres vivos na Terra. Elas existem aqui há bilhões de anos e elas são organismos unicelulares microscópicos. Elas são uma só célula e tem esta propriedade especial que é ter um só pedaço de DNA. Elas têm poucos genes e pouca informação genética que codifica todas as características que elas possuem. E a maneira pela qual as bactérias vivem, é que elas consomem nutrientes do meio-ambiente, elas crescem até atingir duas vezes o seu tamanho, e aí elas se cortam ao meio, e uma célula se transforma em duas, e assim por diante. Elas só fazem crescer e se dividir, crescer e se dividir -- é uma vida bem aborrecida, exceto que eu argumentaria que nós temos uma interação impressionante com estas criaturinhas.

Eu sei que vocês pensam em si próprios como sendo seres humanos, e é algo assim que eu também penso sobre vocês. Este homem representa um ser humano genérico, e todos o círculos neste homem representam células que formam o seu corpo. Cerca de um trilhão de células nos compõem e fazem de nós o que somos e nos capacitam a fazer tudo o que fazemos, mas nós temos dez trilhões de células bacterianas em nós, ou sobre nós, durante toda a nossa vida. Portanto, há dez vezes mais células bacterianas que células humanas, em um ser humano. E é claro, é o DNA que conta. Portanto aqui estão os A,T,G e Cs que compõem o seu código genético e lhe dão todas aquelas características charmosas. Vocês tem cerca de 30 000 genes. Bem, acontece que vocês tem 100 vezes mais genes bacterianos agindo em vocês, durante toda a sua vida. Na melhor hipótese, vocês são 10% humanos, ou mais provavelmente, cerca de 1% humanos, dependendo de qual tipo de mensuração vocês usam. Eu sei que vocês se consideram seres humanos, mas eu penso em vocês como sendo 90 a 99% bacterianos.

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Estas bactérias não são passageiros passivos, elas são incrivelmente importantes, elas nos mantém vivos. Elas nos cobrem com uma armadura invisível que nos protege das agressões ambientais de forma que nos mantemos saudáveis. Elas digerem nossa comida, fazem nossas vitaminas, elas educam nosso sistema imunológico, de fato, para manter os micróbios maus fora de nós. Portanto, elas fazem todas estas coisas incríveis que nos ajudam e são vitais para nos manter vivos, e elas nunca obtém publicidade por isto. Mas elas obtém um monte de publicidade porque elas fazem muitas coisas horríveis também. Portanto, há vários tipos de bactérias na Terra que não tem nada a ver com vocês, ou com estar em vocês, e se elas estão em vocês, elas os fazem ficar muito doentes.

E portanto a questão para o meu laboratório é se vocês querem pensar sobre todas as boas coias ou todas as más coisas que as bactérias fazem. A questão que nós tínhamos era, como elas podem fazer o que quer que seja? Eu quero dizer, elas são incrivelmente pequenas, é necessário ter um microscópio para vê-las. Elas vivem esta vida aborrecida, crescendo e dividindo-se e sempre foram consideradas organismos associais e solitários. E nos pareceu que elas eram pequenas demais para ter um impacto no meio-ambiente, se elas simplesmente agissem como indivíduos. E portanto nós queríamos saber se não podia haver algo diferente na maneira de viver das bactérias.

A chave nos veio através de uma bactéria marinha chamada Vibrio fischeri O que vocês vêem neste slide é uma pessoa do meu laboratório segurando um frasco cheio de liquido de cultura de uma bactéria, uma linda bactéria que não é daninha, vinda do oceano, chamada Vibrio fischeri Esta bactéria tem a propriedade especial de gerar luz, ela gera bioluminescência, da mesma forma que os vagalumes geram luz. Nós não estamos fazendo nada com estas células aqui. Nós só tiramos uma foto, após apagar as luzes do laboratório, e isto é o que se vê.

O que foi interessante para nós não é que a bactéria gerasse luz, mas quando ela gerava esta luz. O que nós vimos é que quando as bactérias estão sós, quando elas estão diluídas na suspensão, elas não geram nenhuma luz. Mas quando elas crescem e chegam a um certo número, todas as bactérias começaram a gerar luz simultaneamente. A nossa questão era, como bactérias, que são organismos primitivos, sabem a diferença entre quando estão sós, ou quando estão em comunidade, e aí fazem algo, todas juntas. O que nós descobrimos é que elas falam umas com as outras, e elas falam usando uma linguagem química.

Isto aqui representa uma célula bacteriana. Quando ela está so, ela não produz nenhuma luz. O que ela faz é fabricar e secretar pequenas moléculas que vocês podem considerar como hormônios, e estão representadas aqui por triângulos vermelhos. Quando a bactéria está só estas moléculas flutuam e se afastam, e não há luz. Mas quando as bactérias crescem e dobram de número, e quando todas estão participando na fabricação destas moléculas, a molécula -- esta quantidade extra-celular daquela molécula, aumenta na proporção do aumento numérico de células bacterianas. E quando as moléculas atingem um certo número que diz às bactérias quantos vizinhos elas têm, elas reconhecem aquela molécula, e todas as bactérias ligam a luz simultaneamente. É assim que a bioluminescência ocorre -- elas estão falando com estas palavras químicas.

A razão pela qual as Vibrio fischeri fazem isto vem da biologia. De novo, uma conexão com os animais do oceano. As Vibrio fischeri vivem dentro desta lula. O que vocês vêem aqui é a uma lula havaiana chamada Bobtail, e ela foi virada para mostrar o seu dorso, e o que eu espero que vocês consigam ver são estes dois lóbulos brilhantes que são a casa das células bacterianas de Vibrio fischeri, elas vivem ali, em alto número de células, esta molécula esta ali, e elas estão fazendo luz. A razão pela qual a lula tolera estas travessuras é porque ela quer esta luz. A maneira pela qual esta simbiose funciona é que esta lulinha vive na região costal do Havai, em águas rasas, na altura do nosso joelho. A lula é noturna, portanto durante o dia ela se enterra na areia e dorme, mas à noite ela tem que sair para caçar. Em noites claras, quando há luz da lua ou das estrelas esta luz penetra através da água onde a lula vive, já que ela está a só uns 50 centímetros de profundidade. O que a lula desenvolveu foi uma espécie de interruptor que liga e desliga neste órgão especializado que abriga as bactérias. Além disto, a lula tem detectores no seu dorso e pode sentir quanta luz da lua ou das estrelas atinge seu dorso. Ela liga e desliga este interruptor de forma que a quantidade de luz que vem de baixo -- e que é gerada pelas bactérias -- fique exatamente igual à quantidade de luz que atinge o dorso da lula, desta forma, a lula não faz nenhuma sombra. Ela usa a luz gerada pelas bactérias para contra-iluminar a si mesma, como um mecanismo anti-predatório, de forma que o predadores não conseguem ver sua sombra, calcular sua trajetória, e comê-la. Ela é como um bombardeiro invisível do oceano.

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Mas quando você pensa bem, a lula tem um problema terrível, porque ela tem esta cultura imensa de bactérias, que está morrendo, e ela não pode sustentar esta colônia. Portanto o que ocorre é que a cada manhã, quando o sol nasce, a lula vai dormir, ela se enterra na areia, e ela tem uma espécie de bomba ligada ao ritmo circadiano, e quando o sol nasce, ela bombeia 95% das bactérias para fora de seu corpo. Agora as bactérias ficam diluídas, a molécula que gera luz desaparece, e portanto elas não estão fazendo nenhuma luz -- mas é claro que a lula não se importa, ela está dormindo na areia. E enquanto o dia transcorre as bactérias se multiplicam, elas liberam a molécula, e a luz aparece de noite, exatamente quando a lula a quer.

Primeiro nós descobrimos como esta bactéria faz isto, e aí nós usamos as ferramentas da biologia molecular para ver qual era realmente o mecanismo. E o que nós encontramos -- e isto é para ser de novo minha célula bacteriana -- é que a Vibrio fischeri tem uma proteína -- representada pelo quadradinho vermelho -- é uma enzima que faz aquela moléculazinha -- o triângulo vermelho. E quando as células se multiplicam, elas estão todas liberando a molécula no meio-ambiente, portanto há muitas moléculas ali. As bactérias também têm um receptor na sua superfície que se encaixa como uma chave numa fechadura, com aquela molécula. Eles são exatamente como os receptores na superfície das células de vocês. Quando as moléculas atingem uma certa quantidade -- o que diz algo sobre o número de células bacterianas -- elas se encaixam firmemente nos receptores e a informação chega às células bacterianas, dizendo que esta na hora delas iniciarem o comportamento coletivo de gerar luz.

Isto é interessante porque na década passada nós descobrimos que isto não é uma anomalia desta ridícula bactéria luminosa que vive no oceano -- todas as bactérias tem sistemas como este. E agora nós entendemos que todas as bactérias podem falar umas com as outras. Elas fazem palavras químicas, elas reconhecem estas palavras e elas iniciam comportamentos de grupo que só são bem sucedidos quando todas participam em uníssono. Nós temos um nome bacana para isto, nós o chamamos de "quorum sensing"-- percepção de grupo. Elas votam com estes votos químicos, os votos são contados e todos respondem ao resultado da votação.

O que é importante para a palestra de hoje é que nós sabemos que existem centenas de comportamentos que as bactérias podem ter, de forma coletiva. Mas o que nos interessa mais é virulência. Não é como se uma meia dúzia de bactérias entrasse em você e começasse a secretar toxinas -- você é enorme, isto não teria nenhum efeito em você. O que elas fazem, nós entendemos agora, é que elas entram em você, esperam, começam a crescer, elas contam seu próprio número com estas moléculazinhas, e elas reconhecem quando tem o número adequado de células, que permitirão a todas as bactérias lançarem um ataque virulento juntas, onde elas vão ser bem sucedidas contra um hospedeiro enorme. Bacterias sempre controlam a sua patogenicidade através de quorum sensing. É assim que elas funcionam.

Nós também fomos olhar o que eram estas moléculas -- estes triângulos vermelhos nos meus slides anteriores. Isto é a molécula da Vibrio fischeri. Esta é a palavra que ela usa para falar. Nós começamos a estudar outras bactérias e isto é só uma pequena amostra das moléculas que nós descobrimos. O que eu espero que vocês vejam é que as moléculas se assemelham. A parte esquerda da molécula é idêntica em todas as espécies de bactérias. Mas a parte direita é um pouquinho diferente em cada espécie isolada. O que isto faz é conferir especificidades de linguagem a cada tipo de bactéria. Cada molécula se encaixa no seu receptor específico, e em nenhum outro. Portanto, estas conversações são privadas, secretas. Estas conversações servem para comunicação intra-espécie. Cada bactéria usa uma molécula específica, que é a sua linguagem, e que a permite contar o número de suas "irmãs".

Quando nós chegamos a este ponto pensamos que havíamos começado a entender que as bactérias tinham estes comportamentos sociais. Mas o que nós realmente estávamos pensando é que na maior parte do tempo as bactérias não vivem isoladas, elas estão em misturas incríveis, com centenas ou milhares de outras espécies de bactérias. E isto é mostrado neste slide.Esta é a pele de vocês. Isto é só uma figura -- um micrográfico da pele. Em qualquer lugar do corpo, a figura é semelhante, e o que eu espero que vocês vejam é que há vários tipos de bactérias aqui. E aí nós começamos a pensar se isto tinha a ver com comunicação entre bactérias, e sobre contar os seus vizinhos, não é suficiente falar apenas com indivíduos da sua espécie. Deve haver uma maneira de se fazer um censo do resto das bactérias da população.

E aí nos voltamos à biologia molecular e começamos a estudar diferentes tipos de bactérias, e nós descobrimos que bactérias são de fato poliglotas. Elas têm um sistema que é espécie-específico -- elas têm uma molécula que diz "eu". Mas em paralelo elas usam um segundo sistema que nós descobrimos ser genérico. Portanto, elas têm uma segunda enzima que produz um segundo sinal e que tem seu próprio receptor, e esta molécula é a "linguagem comercial" das bactérias. Ela é utilizada por todos os tipos de bactérias e é a linguagem de comunicação inter-espécies. Ocorre que as bactérias têm a habilidade de contar quantos de mim e quantos de vocês existem. Elas pegam esta informação e decidem que tarefas devem ser feitas, dependendo de quem está em minoria e em maioria numa determinada população.

Então, nós voltamos novamente à química, e nós descobrimos que molécula genérica era esta -- representada pelos ovais cor-de-rosa no meu último slide. É uma molécula pequena com cinco carbonos. O que nós aprendemos de importante é que cada célula bacteriana tem exatamente a mesma enzima e faz exatamente a mesma molécula. Portanto, elas estão todas usando esta molécula para comunicação inter-espécies. Este é o Esperanto bacteriano.

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Quando nós chegamos aí, nos começamos a aprender que as bactérias podem falar umas com as outras, usando esta linguagem química. Mas nós começamos a pensar que talvez houvesse mais coisas práticas que nós poderíamos fazer também. Eu disse que as bactérias têm todos estes comportamentos sociais, que elas se comunicam com estas moléculas. e também disse que uma das coisas importantes que elas fazem é iniciar patogenicidade usando quorum sensing. Nós pensamos, e se modificássemos estas bactérias de forma que não possam falar, ou não possam ouvir? Será que elas poderiam ser usadas como novos tipos de antibióticos?

Claro que vocês já ouviram e já sabem que nós estamos esgotando nossos antibióticos. As bactérias se tornaram incrivelmente multi-resistentes, devido ao fato dos antibióticos que usamos para matar as bactérias. Eles estouram a membrana bacteriana, ou a impedem de replicar o seu DNA. Nó matamos as bactérias com antibióticos tradicionais e assim selecionamos mutantes que são resistentes. E portanto nós agora temos este problema global em doenças infecciosas. Nós pensamos que se pudéssemos modificar o comportamento, fazer de um jeito que as bactérias não pudessem falar ou contar, aí elas não saberiam como lançar a virulência.

E foi exatamente o que fizemos, usando 2 tipos de estratégia. Primeiro nós visamos o sistema de comunicação intra-espécie. Nós fizemos moléculas que se parecem com as moléculas que existem de verdade -- que vocês viram -- mas que são ligeiramente diferentes. E portanto elas se encaixam nos receptores e obstruem o reconhecimento do sinal real. Quando visamos o sistema vermelho, nós conseguimos fazer moléculas de quorum sensing que são espécie-específicas ou doença-específicas. Nós também fizemos a mesma coisa com o sistema cor-de-rosa. Nós pegamos aquela molécula universal e a transformamos um pouco, de forma a fazer antagonistas do sistema de comunicação intra-espécie. Temos a esperança que estes sejam usados em antibióticos de largo espectro, que funcionarão contra todas as bactérias.

Para finalizar, eu vou mostrar à vocês a estratégia. Aqui eu estou usando a molécula inter-espécie, mas a lógica é exatamente a mesma. O que se sabe é que quando a bactéria entra no animal, neste caso, um camundongo, ela não inicia a virulência imediatamente. Ela entra, começa a crescer, começa a secretar as suas moléculas de quorum sensing, ela reconhece quando há um número suficiente de bactérias e aí lança o ataque, e o animal morre. O que nós conseguimos fazer foi provocar estas infecções virulentas, ao mesmo tempo que administramos as nossas moléculas anti-quorum sensing -- estas são moléculas se parecessem com as reais, mas elas são um pouquinho diferentes, como mostrado neste slide. Nós sabemos que se tratarmos o animal com uma bactéria patogênica -- uma bactéria multi-resistente e patogênica -- e ao mesmo tempo dermos uma molécula anti-quorum sensing, o animal fica vivo.

Nós pensamos que esta é a próxima geração de antibióticos e que vai mudar, ao menos inicialmente, o grande problema da resistência. Eu agora espero que vocês pensem que as bactérias podem falar umas com as outras, usando as suas palavras químicas, e que elas tem um léxico químico incrivelmente complicado, que só agora começamos a aprender a repeito. É claro, isto permite que as bactérias sejam multicelulares. Portanto, bem no espírito da TED, elas estão fazendo coisas juntas porque isto faz uma diferença. O que ocorre é que as bactérias têm comportamentos coletivos e podem realizar tarefas que elas nunca realizariam se agissem como indivíduos isolados.

Eu espero poder argumentar com vocês que esta é a grande invenção da multicelularidade. As bactérias tem vivido na Terra por bilhões de anos. Os humanos -- por uns 200 000 anos. Nós achamos que as bactérias estabeleceram as regras sobre como a organização multicelular funciona. Nós achamos que através do estudo das bactérias, nós teremos entendimento sobre a multicelularidade no corpo humano. Nós sabemos que os princípios e regras, se nós pudermos entendê-los nos organismos primitivos, a esperança é que talvez possam ser aplicados à outras doenças e comportamentos humanos. Eu espero que vocês tenham aprendido que as bactérias conseguem distinguir os outros de si próprias. Usando estas duas moléculas, elas conseguem dizer "eu" e "você". Novamente, isto é o que nós fazemos, tanto a nível molecular, como a nível externo, mas eu penso sobre estes aspectos moleculares.

Isto é exatamente o que acontece no corpo humano. As células cardíacas não se misturam com as células renais todo o dia, e isto ocorre por que há toda esta química acontecendo, estas moléculas que dizem que grupo de células são cada um destes e quais devem ser as suas tarefas. Nós achamos que as bactérias inventaram isto e que os humanos só desenvolveram umas especialidades e truques a mais, mas todas as idéias já estavam nestes sistemas simples que estudamos.

Finalmente, para reiterar esta parte prática, nós fizemos estas moléculas anti-quorum sensing que estão sendo desenvolvidas como novos tipo de terapêutica. Então, para terminar com uma nota sobre todos os tipos de bactérias boas e miraculosas que vivem na Terra, nós também fizemos moléculas pro-quorum sensing. Nós visamos os sistemas que fazem as moléculas trabalhar melhor. Lembrem-se, nós temos 10 vezes mais células bacterianas em nós, que nos mantém saudáveis. O que nós estamos tentando fazer é melhorar e aumentar a conversa das bactérias que vivem como mutualistas em nosso corpo, esperando que isto vá nos tornar mais saudáveis, melhorando estas conversas, para que as bactérias façam coisas que nós queremos que elas façam, melhor do que elas fariam por si sós.

Finalmente, eu quero mostrar à vocês o meu grupo em Princeton, Nova Jersey. Tudo que eu falei à vocês foi descoberto por alguém nesta foto. Espero que quando vocês aprendam coisas, do estilo como o mundo natural funciona -- eu só quero dizer que quando vocês lêem algo num jornal ou quando ouvem falar sobre algo ridículo do mundo natural, isto foi feito por um jovem. Ciência é feita por esta faixa demográfica. Todas as pessoas naquela foto tem entre 20 e 30 anos, e elas são o motor que direciona a descoberta científica neste país. É realmente uma sorte trabalhar com eles. Eu vou ficando cada vez mais velha e eles tem sempre a mesma idade, e é um trabalho louco e delicioso. Eu gostaria de agradecer à vocês por me convidarem para vir aqui, é um grande presente para mim vir à esta conferência.

-aplauso-

Obrigada.

-aplauso-