Bonnie Bassler - Despre cum comunica bacteriile.

Bacteriile sunt cele mai vechi organisme vii de pe Pământ. Se găsesc aici de miliarde de ani și sunt organisme microscopice unicelulare. Sunt deci o singură celulă care au această trăsătură specială - au doar o bucată de ADN. Au foarte puține gene și informație genetică care să declanșeze toate acțiunile pe care le fac. Bacteriile trăiesc consumând nutrienți din mediul înconjurător, își dublează mărimea, se înjumătățesc și dintr-o celulă apar două, și așa mai departe. Cresc, se divizează, și cresc și se divizează - au o viață cam plictisitoare dar eu aș vrea să demonstrez că aveți interacțiuni uimitoare cu aceste creaturi.

Știu că voi vă considerați oameni și cam așa mă gândesc și eu la voi. Acest om ar trebui să reprezinte o ființă umană obișnuită și toate cercurile din acel om sunt toate celulele care formează corpul vostru. Există aproximativ un trilion (o mie de miliarde) de celule umane in fiecare din noi care ne definesc si ne permit să facem toate lucrurile pe care le facem, dar aveți 10 trilioane de celule bacteriene în voi sau pe voi în fiecare moment al vieții voastre. Deci de 10 ori mai multe celule bacteriene decât celule umane pe o ființa umană. Și bineînțeles că ADN-ul este important, așa că iată toate moleculele A, T, G și C care formează codul vostru genetic și vă dau toate trăsăturile fermecătoare. Aveți cam 30.000 de gene. Ei bine, se pare că aveți de 100 de ori mai multe gene bacteriene care joacă un rol în voi și în toată viața voastră În cel mai bun caz sunteți 10 la sută umani, sau mai degrabă 1 la sută, în funcție de ce criteriu preferați. Știu că vă considerați ființe umane, dar eu vă văd mai degrabă ca 90 sau 99 la sută material bacterian.

(Râsete)

Aceste bacterii nu sunt pasageri pasivi, ele sunt incredibil de importante, ele ne țin în viață. Ele ne acoperă într-o platosă corporală invizibilă care respinge atacurile venite din mediul înconjurător și ne menține sănătoși. Aceste bacterii ne digeră mâncarea, ne creează vitaminele, și ne antrenează sistemul imunitar să respingă microbi dăunători. Ele fac deci toate aceste lucruri uimitoare care ne ajută și ne sunt vitale pentru supraviețuire, dar nu au parte niciodată de atenția noastră. Dar au o imagine proastă pentru că fac și o grămadă de lucruri groaznice. Deci există tot felul de bacterii pe Pământ care nu au ce căuta în sau pe voi niciodată, iar dacă au, vă îmbolnăvesc foarte grav.

A apărut, așadar, întrebarea pentru laboratorul meu, daca vrem să ne gândim la toate lucrurile bune pe care le fac bacteriile sau la toate cele rele. Întrebarea care a apărut a fost "Cum de pot totuși să facă ceva?" Adică sunt incredibil de mici, îți trebuie un microscop ca să vezi una. Au viața asta plictisitoare în care cresc și se divizează, și dintotdeauna au fost considerate niste organisme solitare și asociale. Așadar credeam că sunt pur și simplu prea mici pentru a avea vreun impact asupra mediului înconjurător dacă acționează individual. Așa că am vrut să ne gândim dacă nu ar fi posibil un alt stil de viață al bacteriilor.

Indiciul pentru această idee a venit de la o altă bacterie marină, și această bacterie se numește Vibrio fischeri. Ceea ce vedeți în acest slide este un membru al laboratorului meu ținând o eprubetă cu o cultură lichidă de bacterii, o bacterie frumoasă și inofensivă care provine din ocean, numită Vibrio fischeri. Această bacterie are caracteristica specială de a produce lumină, deci produce bioluminescență, așa cum licuricii produc lumină. Noi nu intervenim cu nimic asupra acestor celule. Noi doar am făcut o fotografie după ce am stins lumina în cameră, și asta e ceea ce vedeți.

Ceea ce ne-a interesat pe noi nu a fost că bacteria producea lumină, ci când anume o producea. Ceea ce am observat este că dacă bacteriile erau singure, adică se găseau într-o soluție diluată, nu produceau lumină. Dar când se înmulțeau și ajungeau la un anumit număr toate bacteriile deveneau luminoase simultan. Întrebarea care a apărut a fost cum de pot bacteriile, aceste organisme primitive, să facă diferența între momentele când sunt singure, și momentele când sunt într-o comunitate, ca apoi să facă toate ceva împreună. Ne-am dat seama că felul în care resușesc să facă asta este vorbind între ele, și vorbesc printr-un limbaj chimic.

Aceasta reprezintă celula mea bacterială. Când este singură nu produce deloc lumină. Dar, ceea ce face este să elimine mici molecule oarecum ca și hormonii, și astea sunt reprezentate de triunghiurile roșii, și când bacteria este singură moleculele se împrăștie și nu apare lumină. Dar când bacteriile cresc și se înmulțesc și toate participă la creearea acestor molecule, molecula - cantitatea extracelulară a acelei molecule crește proporțional cu numărul celulelor. Și când molecula ajunge la o anumită cantitate asta transmite bacteriilor câți vecini au, ele recunosc acea moleculă și toate bacteriile devin luminoase exact în același timp. Așa funcționează bioluminescența - bacteriile vorbesc prin aceste cuvinte chimice.

Motivul pentru care Vibrio fischeri funcționează așa vine din biologie. Din nou, o altă reclamă pentru animalele din ocean, Vibrio fischeri trăiește în această sepie. Ceea ce vedeți este sepia hawaiiana încolăcită, și a fost întoarsă pe spate, și sper că puteți vedea acești doi lobi strălucitori care găzduiesc celulele Vibrio fischeri, care trăiesc în interior, într-un număr mare molecula este acolo și ele produc lumină. Motivul pentru care sepia acceptă mișmașurile astea este că are nevoie de lumină. Felul în care funcționează această simbioză este că această sepie trăiește chiar lângă coasta din Hawaii, în apă adâncă până la genunchi. Sepia este nocturnă, așa că în timpul zilei se îngroapă în nisip și doarme, dar noaptea trebuie să iasă și să vâneze. În nopțile cu multă lumină de la Lună și stele acea lumină poate pătrunde în apa în care trăiește sepia, fiind puțin adâncă. Ceea ce a dezvoltat sepia este o diafragmă care se poate închide și deschide peste acest organ luminos în care trăiesc bacteriile. Sepia are detectori pe spate prin care simte câtă lumină de la Lună și stele ajunge pe spatele său. Și deschide și închide diafragma astfel încât cantitatea de lumină care apare dedesubt - lumină produsă de bacterii - să fie identică ca și formă cu lumina care ajunge pe spatele sepiei, astfel încât sepia nu lasă nici o umbră. Folosește de fapt lumina bacteriilor ca să se contra-ilumineze și să se camufleze astfel încât prădatorii să nu-i poată vedea umbra, calcula traiectoria și să o mănânce. Acesta e echivalentul oceanic al bombardierelor care nu apar pe radar.

(Râsete)

Dar dacă te gândești bine, sepia are de fapt o problemă groaznică pentru că are această cultură mare, pe moarte, de bacterii pe care nu o poate susține. Așa că în fiecare dimineață când răsare soarele sepia se duce la culcare, se îngroapă în nisip, și are o pompă atașată la ritmul ei circadian, și când răsare soarele elimină cam 95 la sută din bacterii. Acum bacteriile sunt diluate, mica moleculă hormonală a dispărut, așa că nu mai produc lumină - dar bineînteles că puțin îi pasă sepiei. Ea doarme în nisip. Și pe parcursul zilei bacteriile se înmulțesc, elimină molecula, și apare lumina noaptea, exact când are nevoie sepia de ea.

Prima dată ne-am dat seama cum bacteriile fac asta, dar apoi am adus uneltele biologiei moleculare pentru a ne da seama care este mecanismul de fapt. Și ceea ce am aflat - aceasta ar trebui să fie, din nou, celula mea bacterială - este că Vibrio fischeri are o proteină - asta e dreptunghiul roșu - o enzimă care produce acea moleculă mică - triunghiul roșu. Și pe măsură ce celulele se înmulțesc, elimină această moleculă în mediul înconjurător, așa că sunt o grămadă de molecule acolo. Și bacteria are de asemenea un receptor pe suprafața celulei care se potrivește precum o încuietoare cu o cheie cu acea moleculă. Aceștia sunt ca și receptorii de pe suprafața celulelor voastre. Când molecula crește ajunge la o anumită cantitate - care spune ceva despre numărul de celule - se blochează în acel receptor și informația ajunge în celule care spune celulelor să înceapă comportamentul lor colectiv de producere a luminii.

De ce e asta așa de interesant e pentru că în ultimul deceniu am descoperit că nu este doar o anomalie a acestei ridicole bacterii care strălucește în întuneric din ocean - toate bacteriile au sisteme asemănătoare. Acum ne-am dat seama că bacteriile pot vorbi unele cu altele. Ele creează cuvinte chimice, recunosc aceste cuvinte, și declanșează comportamente de grup care au succes doar când toate celulele participă la unison. Avem un nume sofisticat pentru asta, îi spunem "simțul cvorumului". Bacteriile votează cu aceste cuvinte chimice, voturile se numără, și apoi toată lumea răspunde votului.

Ceea ce este important în prezentarea de azi este că știm că sunt sute de comportamente pe care bacteriile le pot îndeplini în mod colectiv. Dar cel care este probabil cel mai important pentru voi este comporamentul virulent. Nu e ca și când câteva bacterii ajung în voi și încep să elimine niște toxine - sunteți enormi, asta nu ar avea nici un efect asupra voastră. Sunteți gigantici. Ceea ce facem, acuma ne-am dat seama, este că pătrund în voi, așteaptă, încep să se înmulțească, se numără între ele cu ajutorul acestor molecule mici și știu când au numărul necesar de celule astfel încât dacă toate bacteriile își lansează atacul lor virulent împreună, vor avea succes în cucerirea unei gazde enorme. Bacteriile controlează întodeauna patogenicitatea cu ajutorul simțului cvorumului. Acesta este mecanismul.

Ne-am uitat de asemenea la ce sunt aceste molecule - aceste triunghiuri roșii de pe imaginile mele de mai devreme. Aceasta este molecula Vibrio fischeri. Acesta este cuvântul prin care vorbește. Așa că am început să ne uităm la alte bacterii, și acestea sunt doar o mica fracțiune din moleculele pe care le-am descoperit. Ceea ce sper că puteți vedea este faptul că moleculele sunt înrudite. Partea din stânga a moleculei este identică în fiecare specie de bacterie. Dar partea dreaptă a moleculei este ușor diferită în fiecare specie. Această caracteristică conferă caracteristici deosebite speciilor care folosesc aceste limbaje. Fiecare moleculă se potrivește în receptorul partener și doar în acesta. Așadar acestea sunt un fel de conversații secrete, ascunse. Aceste conversații sunt pentru comunicarea în cadrul speciei. Fiecare bacterie folosește o moleculă specifică care este limbajul său, care îi permite să facă un recensământ.

Odată ce am ajuns atât de departe ne-am dat seama că aceste bacterii au comportamente sociale. Dar ceea ce ne-a intrigat este faptul că, majoritatea timpului bacteriile nu trăiesc izolate, ci într-un amestec incredibil cu sute sau mii de specii de alte bacterii. Și asta este descris în această planșă. Aceasta este pielea voastră. Așadar aceasta este doar o imagine - o micografie a pielii voastre. Oriunde pe corpul vostru, arată cam așa, și sper că reușiți să vedeți că sunt tot felul de bacterii acolo. Așa că am început să ne gândim că dacă este cu adevărat vorba despre comunicare intrabacteriană și dacă este vorba de recensământul vecinilor, nu este suficient să poți vorbi doar cu specia ta. Trebuie să fie o metodă de a număra restul bacteriilor din populație.

Așa ca ne-am reîntors la biologia moleculară și am început să studiem diferite bacterii, și ceea ce am descoperit este că, de fapt, bacteriile sunt poliglote. Toate au un sistem specific speciei - au o moleculă care spune "eu". Dar, în paralel, au un sistem secundar care am descoperit că este universal. Așadar, ele au o a doua enzimă care emite un al doilea semnal și are propriul receptor, și această moleculă este limba comună a bacteriilor. Este folosită de toate bacteriile, indiferent cât de diferite sunt și este limbajul comunicării între specii. Astfel bacteriile sunt în stare să numere câte sunt de fiecare fel. Folosesc această informație pentru a decide cum să acționeze în funcție de cine este în minoritate și cine este în majoritate într-o anumită populație.

Apoi, din nou ne-am întors la chimie, și ne-am dat seama care anume este această moleculă universală - adică ovalurile roz din imaginea anterioară. Este o moleculă foarte mică cu cinci atomi de carbon. Descoperirea importantă este că fiecare bacterie are exact aceași enzimă și produce exact aceeași moleculă. Așa că folosesc toate această moleculă pentru comunicarea între specii. Acesta este Esperanto-ul bacterial.

(Râsete)

Odată ce am ajuns așa de departe, am început să ne dăm seama că bacteriile pot vorbi între ele folosind acest limbaj chimic. Dar am început să ne gândim că am putea folosi descoperirile acestea. V-am spus că bacteriile au toate aceste comportamente sociale, ele comunică prin aceste molecule. Și v-am mai spus că unul din lucrurile importante pe care le fac este să inițieze atacuri patogene folosind simțul cvorumului. Ne-am gândit "Ce-ar fi dacă le-am face pe bacteriile astea să nu mai vorbească sau să nu mai audă?" Nu ar putea fi acestea un nou tip de antibiotice?

Desigur, tocmai ați auzit sau știți deja că avem o mare lipsă de antibiotice. Bacteriile sunt incredibil de rezistente la medicamente acum, și asta e din cauza tuturor antibioticelor pe care le folosim ca să omorâm bacteriile. Antibioticele fie sparg membrana bacteriană, fie opresc bacteriile să-și reproducă ADN-ul. Ucidem bacteriile cu antibioticele tradiționale și asta selectează mutanții rezistenți. Așa că acum avem, bineînțeles, această problemă globală a bolilor infecțioase. Și ne-am întrebat: "Ce-ar fi dacă am reuși să le modificăm comportamentul, în așa fel încât bacteriile să nu poată sa vorbească, să numere și să nu știe să lanseze un atac virulent?"

Așa că exact asta am făcut și am folosit oarecum două strategii. Prima a fost să țintim sistemul de comunicare dintre specii. Așa că am creat molecule care arată aproape la fel ca cele reale - pe care le-ați văzut - dar sunt puțin diferite. Așa că, ele se blochează în acei receptori si blochează recunoașterea celor reali. Țintind sistemul roșu, ceea ce suntem în stare să facem sunt molecule specifice speciei, sau molecule specifice bolii, împotriva simțului Am făcut la fel și cu sistemul roz. Am luat acea moleculă universală și am învârtit-o un pic și am reușit să creăm inhibitori ai sistemului de comunicare între specii. Speranța este că acestea vor fi folosite ca antibiotice de spectru larg, care funcționează împotriva tuturor bacteriilor.

În încheiere vă voi arăta strategia. În cazul acesta voi folosi doar molecula dintre specii, dar logica este exact aceași. Ceea ce știți este că în momentul în care o bacterie pătrunde într-un animal, în cazul acesta un șoarece, nu declanșează atacul virulent pe loc. Pătrunde, începe să se înmulțească, începe să secrete moleculele simțului cvorumului. Recunoaște când sunt suficiente bacterii, că urmează să lanseze atacul lor și animalul moare. Ceea ce am reușit să facem este să administrăm aceste infecții virulente, dar le-am administrat împreună cu moleculele noastre împotriva simțului cvorumului - deci aceste molecule sunt asemănătoare cu cele reale, dar sunt puțin diferite după cum se vede pe această imagine. Ceea ce știm este că dacă tratăm animalul cu o bacterie patogenică - o bacterie patogenică rezistentă la mai multe medicamente - și în același timp administrăm molecula noastră împotriva simțului cvorumului, de fapt animalul trăiește.

Noi credem că aceasta este generația următoare de antibiotice și ne vor ajuta să depășim, cel puțin inițial, această mare problemă a rezistenței (la antibiotice). Ceea ce sper că v-am convins este că bacteriile vorbesc între ele, folosesc molecule drept cuvinte, au un lexicon chimic incredibil de complicat despre care de abia acum începem să ne dăm seama. Bineînțeles, asta le permite de asemenea bacteriilor să fie multicelulare. Așa că, parafrazând atmosfera de la TED, ele fac lucruri împreună pentru că așa fac diferența. Ceea ce se întâmplă este că bacteriile au aceste comportamente colective, și pot să ducă la bun sfârșit sarcini pe care nu le-ar putea realiza dacă ar acționa ca simpli indivizi.

Ceea ce sper că aș putea să vă demonstrez mai departe este că aceasta este inventarea multicelularității. Bacteriile au existat pe Pămând de miliarde de ani. Oamenii - de vreo două sute de mii. Credem că bacteriile au creeat regulile pentru felul în care funcționează organizațiile multicelulare. Credem că, studiind bacteriile, vom fi în stare să înțelegem mai bine multicelularitatea din corpul uman. Știm că principiile și regulile, dacă reușim să le înțelegem în aceste organisme oarecum primitive, speranța este că se vor aplica si altor boli și comportamente umane de asemenea. Sper că v-ați convins că bacteriile știu să se deosebească între ele. Folosind aceste două molecule ele pot spune "eu" și pot spune "tu". Din nou, bineînțeles, asta facem și noi, atât la nivel molecular, ca și la nivel exterior, dar acum mă refer la chestia moleculară.

Exact asta se întâmplă și în corpul nostru. Nu e ca și când celulele inimii și cele ale ficatului se amestecă zilnic și asta din cauză că există toate procesele astea chimice, aceste molecule care spun cine este fiecare grup din aceste celule și care este rolul lor. Din nou, credem că bacteriile au inventat asta, și noi doar am adăugat ceva brizbrizuri, dar toate aceste idei se găsesc în sistemele simple pe care le putem studia.

In final, din nou, aș vrea să accentuez că există o parte practică am creat aceste molecule împotriva simțului cvorumului care sunt dezvoltate ca metode noi de terapie. Dar, ca să termin cu un aspect pozitiv față de toate aceste bacterii bune și miraculoase care trăiesc pe Pământ, am realizat și molecule pentru activarea simțului cvorumului. Așa că am plănuit să îmbunătățim felul în care funcționează aceste molecule. Amintiți-vă că aveți aceste peste 10 ori sau mai multe bacterii celule bacteriene, în voi sau pe voi, care vă mențin sănătoși. Ceea ce încercăm de asemenea este să îmbunătățim conversația bacteriilor care trăiesc în simbioză cu voi, sperând că vă vor face mai sănătoși, prin îmbunătățirea acestor conversații, astfel că bacteriile vor putea face lucrurile pe care vrem să le facă mai bine decât ar putea să le facă pe cont propriu.

În sfârșit, am vrut să vă arăt aceasta este gașca mea de la Princeton, New Jersey. Tot ce v-am povestit a fost descoperit de cineva din această fotografie. Sper că atunci când aflați lucruri, cum ar fi despre cum funcționează natura din jurul nostru - am vrut doar să spun că ori de câte ori citiți ceva în ziar sau auziți pe cineva vorbind despre ceva ridicol din natura a fost creeat de un copil. Știința este făcută de această categorie de vârstă. Toți acești oameni au între 20 și 30 de ani și ei sunt motorul care duce mai departe descoperirile științifice în țara aceasta. Este un mare noroc să lucrezi cu grupa asta de vârstă. Eu îmbătrânesc pe zi ce trece și ei au mereu aceași vârstă, și este o slujba amețitor de placută. Vreau să vă mulțumesc pentru că m-ați invitat aici. Este o mare răsplată pentru mine să particip la această conferință.

(Aplauze)

Mulțumesc.

(Aplauze)