Bonnie Bassler sobre a comunicação entre bactérias

As bactérias são os organismos vivos mais antigos na Terra. Existem desde há milhares de milhões de anos, e o que são, são organismos microscópios, uni-celulares. Portanto, são apenas uma célula, e têm a propriedade particular de terem apenas um pedaço de DNA. Têm muito poucos genes, e pouca informação genética para codificar todas as funções que levam a cabo. E a forma como sobrevivem é consumindo nutrientes do seu meio, crescendo até ao dobro do tamanho, e cortando-se ao meio. De uma célula formam-se duas, e assim por diante. Simplesmente crescem e dividem-se, crescem e dividem-se. -- Uma vida chata, portanto, só que o que eu defendo é que vocês têm uma interacção incrível com estas criaturas.

Eu sei que todos vocês gostam de se considerar humanos, e é mais ou menos assim que em penso em vocês. Este homem representa um ser humano genérico e os círculos dentro do homem são todas as células que constituem o nosso corpo. Temos cerca de um bilião de células humanas que fazem de cada um de nós aquilo que somos e tudo aquilo que conseguimos fazer, mas vocês também tẽm 10 biliões de células bacterianas em vocês, em cada momento das vossas vidas. Portanto, há 10 vezes mais células bacterianas do que células humanas, num ser humano. Mas claro, o DNA é que conta, por isso, há todos os A, T, G e C's que formam o vosso código genético, e vos dão todas as vossas encantadoras caracteristicas. Vocês têm cerca de 30 mil genes. Bem, mas acontece que têm 100 vezes mais genes bacterianos desempenhando um papel em todos vós, e na vossa vida. Na melhor das hipóteses, são 10% humanos, mas mais provavelmente apenas 1% humanos, dependendo da métrica que preferirem. Eu sei que pensam em vocês como seres humanos, mas eu penso em vocês como 90 a 99% bactérias.

(risos)

Estas bactérias não são passageiros passivos, são incrivelmente importantes, elas mantêm-nos vivos. Cobrem-nos como uma armadura invisível que mantém todas as ameaças ambientais fora de forma a nos manterem saudáveis. Elas digerem a nossa comida, produzem as nossas vitaminas, e até educam o nosso sistema imunitário a manter os micróbios maus lá fora. Portanto fazem todas estas coisas incríveis que nos ajudam e são vitais para nós, e nunca são reconhecidas por isso. Mas aparecem muitas vezes nas notícias, por fazerem muitas coisas terríveis, também. Há muitos tipos de bactérias na Terra com as quais não podem ter contacto, nunca porque se tiverem, fazem-vos ficar incrivelmente doentes.

Então a questão, para o meu laboratório, é se queremos pensar em todas as coisas boas que as bactérias fazem, ou em todas as coisas más. Perguntávamo-nos como é que elas podiam fazer fosse o que fosse? Quer dizer, elas são incrivelmente pequenas, é preciso ter um microscópio para ver uma. Vivem uma vida aborrecida, crescem e dividem-se, e sempre foram consideradas como organismos reclusivos e associais. Por isso pareceu-nos que elas eram demasiado pequenas para ter impacto no ambiente se actuassem apenas individualmente. Assim, pensámos se não poderia haver algo diferente na forma como as bactérias vivem.

Algumas pistas vieram de uma outra bactéria marinha, chamada de Vibrio fischeri. O que vêm neste slide é apenas uma pessoa do meu laboratório a segurar um frasco dom uma cultura líquida de uma bactéria, uma bactéria bonita e inofensiva que vem do oceano, chamada Vibrio fischeri. Esta bactéria tem a capacidade especial de produzir luz, por isso, produz bioluminescência, como os pirilampos produzem luz. Nós não estávamos a fazer nada às células ali. Apenas apagámos as luzes e tirámos a fotografia, e é isto que se vê.

Mas o que foi realmente interessante para nós nao foi que as bactérias produziam luz, mas quando é que as bactérias produziam luz. O que nós verificámos foi que quando as bactérias estavam sozinhas, ou melhor, quando estavam numa solução diluida, não faziam luz. Mas quando se multiplicavam até um certo número de células todas as bactérias se iluminavam simultaneamente. A questão que colocámos foi como é que as bactérias, organismos primitivos, sabem a diferença entre quando estão sozinhas, ou quando estão em comunidade, e fazem alguma coisa juntas, então. O que percebemos foi que a forma como o fazem é falando umas com as outras, e falam com uma linguagem química.

Esta é suposta ser a minha célula bacteriana. Quando está sozinha não produz luz nenhuma. O que faz é produzir e libertar pequenas muléculas as quais podem considerar hormonas, e que são estes triangulos vermelhos. Quando a bactéria está sozinha as moléculas apenas flutuam e não há luz. Mas quando as bactérias crescem e duplicam e estão todas a participar na produção destas moléculas, a quantidade extracelular de moléculas aumenta em proporção com o número de células. E quando se atinge uma certa quantidade desta molécula isso diz às bactérias quantas vizinhas têm, elas reconhecem a molécula e todas as bactérias ligam a luz em sincronia. É assim que funciona a bioluminescência -- elas estão a falar com estas palavras químicas.

A razão pela qual a Vibrio fischeri faz isso vem da biologia, Mais uma vez, uma coisa boa para os animais que vivem no oceano, A Vibrio fischeri vive neste choco. O que estão a ver é o choco Euprymna scolopes, e foi virado de costas, e o que eu espero que consigam ver são estes dois lóbulos luminosos que são os que contêm as células Vibrio fischeri. Elas vivem ali, em grande número, de forma que há muitas moléculas, e elas produzem luz. A razão pela qual o choco está disposto a carregar com elas é porque ele quer aquela luz. A forma como esta simbiose funciona é que este pequeno choco vive na costa do Havai, em águas pouco profundas, até ao joelho. E o choco é nocturno, por isso, durante o dia enterra-se na areia e dorme, mas depois à noite tem de sair e caçar. Nas noites claras, quando o céu está muito iluminado a luz consegue penetrar a altura de água em que o choco vive, porque são apenas uns centímetros de água, O que o choco desenvolveu foi uma cortina que consegue abrir e fechar sobre este orgão especial produtor de luz, com as bactérias. E tem detectores nas costas, então consegue sentir quanta luz do céu lhe está a iluminar as costas. E abre e fecha a cortina de forma a que a quantidade de luz que lhe sai do dorso -- que é produzida pelas bactérias -- coincide exactamente com a quantidade que lhe bate nas costas, e assim o choco não faz sombra. Ele usa a luz das bactérias de forma a ter um dispositivo anti-predadores que assim não conseguem ver a sua sombra, ou calcular a sua trajectória, e comê-lo. É como um bombardeiro furtivo dos oceanos.

(Risos)

Mas se pensarem bem, o choco tem um problema terrível porque tem esta grande cultura de bactérias famintas que não pode suster continuamente. Então o que acontece é que todas a manhãs, quando o sol nasce, o choco volta a a dormir, enterra-se na areia, e tem uma bomba ligada ao seu ciclo circadiano, e quando o sol nasce ele expulsa cerca de 95% das bactérias. Agora que as bactérias estão diluídas, a pequena molécula hormonal desapareceu, e elas não produzem luz -- mas claro, o choco não se importa. Está a dormir na areia. E enquanto o dia passa, as bactérias duplicam-se, libertam essa molécula, e aí a luz aparece, à noite, exactamente quando o choco precisa dela.

Primeiro percebemos como é que as bactérias fazem isto, mas depois fomos buscar as ferramentas da biologia molecular para perceber realmente qual é o mecanismo. E o que descobrimos -- esta é suposta ser uma célula bacteriana, novamente -- é que a Vibrio fischeri tem uma proteína -- é aquele rectângulo vermelho -- que é uma enzima que produz aquela pequena molécula hormonal -- o triângulo vermelho e à medida que as células crescem, todas libertam essa molécula e então a concentração aumenta. E as bactérias também têm um receptor na sua parede celular que forma um par fechadura e chave com aquela molécula. Estes são como os receptores na superfície das vossas células. Quando a molécula aumenta até uma certa quantidade -- o que diz alguma coisa sobre a quantidade de bactérias -- ela liga-se àquele receptor e a informação chega às células e diz-lhes para ligarem este comportamento colectivo de produzir luz.

Isto é interessante porque durante a última década descobrimos que esta não é apenas uma anomalia desta bactéria ridícula que brilha no escuro e vive no oceano -- todas as bactérias possuem sistemas como este. Por isso agora compreendemos que todas as bactérias podem falar entre elas. Elas produzem palavras químicas, e reconhecem estas palavras, que surgem em comportamentos de grupo que apenas são bem sucedidos quando todas as células participam em uníssono. Nós temos um nome catita para isto, chamamos-lhe "sentido de quorum". Elas votam com estes votos químicos, os votos são contados, e toda a gente responde ao resultado da votação.

O que é importante para esta apresentação é que sabemos que há centenas de comportamentos colectivos, levados a cabo por bactérias. Mas o que provavelmente é mais importante para vocês, é a virulência. Não é que vocês contraiam duas ou três bactérias e elas comecem a segregar toxinas -- vocês são enormes, elas não teriam qualque efeito. O que elas fazem, compreendemos agora, é que quando chegam, elas esperam, e começam a reproduzir-se, têm noção de quantas são, contando estas pequenas moléculas, e percebem quando é que existem na quantidade certa de forma que se todas as bactérias lançarem o seu ataque virulento juntas, vão ser bem sucedidas contra o seu enorme hospedeiro. As bactérias controlam sempre a sua patogenia com o sentido de quorum. É assim que funciona.

Depois também fomos ver que moléculas são estas -- estes eram os triângulos vermelhos dos meus slides anteriores. Esta é a molécula da Vibrio fischeri. É esta a palavra com que ela fala. Então, começámos a estudar outras bactérias. e estas são apenas uma pequena amostra das moléculas que descobrimos. O que espero que percebam é que estas moléculas estão relacionadas. A metade esquerda da molécula é idêntica em cada espécie de bactéria. mas a metade direita da molécula é ligeiramente diferente em cada espécie. Esta diferença o que faz é conferir especificidades na linguagem dessas espécies. Cada molécula encaixa no receptor do parceiro mas não nas outras. Por isso tratam-se de conversas privadas, secretas. Estas conversas são comunicação intra-espécie. Cada tipo de bactéria usa uma molécula particular que é a sua linguagem, que lhe permite contar as suas semelhantes.

Quando chegámos a esse ponto, sabíamos que tinhamos começado a entender estes comportamentos sociais das bactérias. Mas o que estávamos realmente a pensar era que na maior parte das vezes as bactérias nao vivem sozinhas, vivem em misturas incríveis, com centenas ou milhares de outras espécies de bactérias. É isso que está representado neste slide. Está é a vossa pele. Esta é apenas uma fotografia -- uma microfotografia da vossa pele. Em qualquer parte do vosso corpo, o cenário é semelhante, e espero que consigam ver que existem muitos tipos de bacérias ali. Então começámos a pensar que se tudo isto tinha a ver com comunicação e com a contagem dos vizinhos, a capacidade de falar apenas dentro de cada espécie nao é suficiente. Tem de existir uma forma de contabilizar o resto das bactérias na população.

Assim, voltámos novamente à biologia molecular e começámos a estudar outras bactérias, e descobrimos que na verdade, as bactérias são multilingues. Todas elas possuem um sistema específico da espécie -- têm uma molécula que diz "eu". Mas depois, paralelamente a esse, existe um segundo sistema que nós descobrimos, que é genérico. Elas possuem uma segunda enzima, que produz um segundo sinal e que tem o seu próprio receptor, e esta molécula é a linguagem geral das bactérias. É utilizada por todas as differentes bactérias e é a linguagem da comunicação inter-espécies. Assim as bactérias são capazes de contar quantas existem de "eu" e de "vocês" Elas pegam nessa informação e decidem que tarefas vão cumprir dependendo de quem é a minoria e quem é a maioria de uma dada população.

Aí, virámo-nos mais uma vez para a química, e percebemos que tipo de molécula genérica é esta -- representada pelas ovais rosa no meu último slide. É uma pequena molécula de apenas 5 átomos de carbono. Mas o importante é que aprendemos que todas as bactérias possuem a mesma enzima e produzem exactamente a mesma molécula. Por isso todas utilizam esta molécula para comunicarem entre espécies. É o Esperanto bacteriano.

(Risos)

Quando chegámos a esta fase, começámos a compreender que as bactérias comunicam entre elas com esta linguagem química. Mas também começámos a pensar que talvez exista algo mais prático que também consigam fazer. Já vos disse que as bactérias têm muitos comportamentos sociais, que comunicam com estas moléculas. E claro, também vos disse que um dos factos mais importantes é que elas iniciam a patogenia utilizando o sentido de quorum. O que pensámos foi, e se pudéssemos tornar estas bactérias mudas, ou surdas? Poderiam esses ser novos tipos de antibióticos?

Claro que já ouviram dizer que estamos a ficar sem antibióticos. As bactérias são incrivelmente resistentes agora, e isso é porque todos os antibióticos que usamos matam as bactérias. Eles ou rebentam a membrana bacteriana, ou fazem com que as bactérias nao consigam replicar o seu ADN. Nós matamos as bactérias com os antibióticos tradicionais e isso selecciona as mutações resistentes. E claro que agora temos este problema global de doenças infecciosas. Nós pensámos, bem, e se fosse possivel modificar-lhes o comportamento, fazer com que estas bactérias não falem, e nao consigam contar, e então não saibam lançar a virulência.

E foi exactamente isso que fizémos, e tomámos duas estratégias. A primeira foi tomar como alvo o sistema de comunicação intra-espécie. Então construimos moléculas parecidas com as utilizadas na realidade -- como as que viram -- mas um bocadinho diferentes. Elas ligam-se aos receptores, e interferem com o reconhecimento da molécula original. Ao tomarmos o sistema vermelho como alvo, somos capazes de produzir moléculas anti-sentido de quorum, específicas de uma espécie ou doença. Mas também fizémos o mesmo com o sistema rosa. Pegámos naquela molécula universal e modificámo-la um pouco de forma a produzir moléculas antagonistas do sistema de comunicação inter-espécies. A esperança é que estas possam ser usadas como antibióticos de largo-espectro que funcionam contra todas as bactérias.

Para terminar vou apenas mostrar-vos a estratégia. Neste slide estou a usar a molécula inter-espécies, mas a lógica é exactamente a mesma. O que se sabe é que quando as bactérias entram no animal, neste caso, um rato, não despoletam virulência imediatamente. Entram, começam a crescer e a segregar as suas moléculas do sentido de quorum. Então percebem quando existem em número suficiente e então lançam o seu ataque, e o animal morre. O que conseguimos fazer foi infectar o animal, mas ao mesmo tempo administrar as nossas prórias moléculas anti-sentido de quorum -- aquelas que são parecidas com a molécula real, mas que são um pouco diferentes, como se vê neste slide. O que agora sabemos é que se administramos ao animal uma bactéria patogénica -- uma bactéria patogénica multi-resistente e ao mesmo tempo a nossa molécula anti-sentido de quorum, o animal, de facto, vive.

Pensamos que esta seja a nova geração de antibióticos e que nos vai resolver, pelo menos inicialmente, este grande problema da multi-resistência. O que espero que percebam, é que as bactérias conseguem falar entre elas, que usam palavras químicas, que têm um léxico químico incrivelmente complicado, que só agora começámos a descobrir. E claro, o que isso permite às bactérias, é serem multicelulares. E com o mesmo espírito do TED, fazerem coisas juntas porque isso faz a diferença. É que assim as bactérias têm estes comportamentos colectivos, e levam a cabo tarefas que nunca iriam conseguir terminar se actuassem apenas individualmente.

E o que também gostava de vos dizer é que esta é a invenção da multi-celularidade. As bactérias existem na Terra há milhares de milhões de anos, Seres humanos -- um par de centenas de milhar. Pensamos que as bactérias fizeram as regras que as organizações multicelulares seguem. Pensamos que, ao estudar as bactérias, vamos ganhar mais conhecimentos sobre a multi-celularidade no corpo humano. Sabemos que as regras e principios são os mesmos, e que se os conseguirmos perceber nestes organismos primitivos, podemos esperar que eles se apliquem a outras doenças e comportamentos humanos também. Espero que tenham aprendido que as bactérias se conseguem distinguir umas das outras. Usando estas duas moléculas elas dizem "eu" e dizem "tu". E mais uma vez, é isso que nós também fazemos, tanto numa forma molecular, como de forma sensorial, mas eu interesso-me pela parte molecular.

E é exactamente isto que acontece no vosso corpo. As vossas células do coração e as dos rins nunca se misturam, e isso é por causa de toda a química nos bastidores, estas moléculas que identificam cada grupo de células, e quais as suas funções. Mais uma vez, pensamos que foram as bactérias que inventaram isto, e que nós apenas fizemos evoluir alguns pormenores, mas todas as ideias estão nestes sistemas simples que podemos estudar.

E finalmente, só para reiterar mais uma faz o lado prático, Nós fizemos moléculas anti-sentido de quorum que estão a ser desenvolvidas como novas formas de terapêutica. Mas, para terminar um presente para todas as bactérias boas e miraculosas que vivem na Terra, também fizemos moléculas pró-sentido de quorum. O nosso alvo era fazer com que estes sistemas funcionassem melhor Lembrem-se que têm 10 vezes mais células bacterianas no vosso corpo, a manter-vos saudáveis. Tantámos melhorar a conversação das bactérias que vivem como mutualistas, convosco, na esperança de vos tornar mais saudáveis, melhorar essas conversas, para as bactérias poderem fazer coisas que nós queremos que elas façam melhor do que elas fariam sozinhas.

Por fim, queria mostrar-vos, Este é o meu grupo em Princeton, Nova Jérsia. Tudo o que vos apresentei foi descoberto por alguma pessoa nesta fotografia. Espero que quando aprendam coisas novas, por exemplo sobre como o mundo natural funciona -- quero-vos dizer que quando lêem alguma coisa num jornal ou ouvem uma apresentação sobre qualquer coisa ridícula no mundo natural isso foi descoberto por um jovem. A ciencia é feita por esse grupo demográfico. Todas aquelas pessoas têm entre 20 e 30 anos, e são elas o motor que leva às descobertas científicas neste país. Tenho muita sorte em poder trabalhar com um grupo assim. Estou sempre a ficar mais velha, mas eles têm sempre a mesma idade, é um trabalho delicioso. Quero agradecer-vos pelo convite. É um grande orgulho para mim poder vir a esta conferência.

(Aplausos)

Obrigada.

(Aplausos)