Бонни Басслер о том, как общаются бактерии

Бактерии это древнейшие живые организмы на Земле. Они существовали миллиарды лет, они представляют собой микроскопические одноклеточные организмы. Итак, они состоят из одной клетки и у них есть эта особенность у них есть только одна часть ДНК. У них очень мало генов и генетической информации, чтобы закодировать все их особенности. Образ жизни бактерий заключается в том, что они потребляют питательные вещества из окружающей среды, увеличиваются в два раза, разрезают себя посередине и одна клетка превращается в две и так далее. Они только и делают, что растут и делятся, растут и делятся - такая скучная жизнь, за исключением того, что я утверждаю, что вы потрясающе взаимодействуете с этими существами.

Я знаю, вы считаете себя человеческими существами, и это примерно то, что я о вас думаю. Предположим, что этот человек представляет собой типичное человеческое существо, и все эти круги внутри человека это клетки, из которых состоит ваше тело. Триллионы человеческих клеток, которые делают каждого из нас теми, кем мы являемся, и способными делать все те вещи, которые мы делаем, но в то же время есть 10 триллионов клеток бактерий внутри или на вас в любой момент вашей жизни. Итак, бактериальных клеток в 10 раз больше, чем человеческих клеток в одном человеческом существе. И конечно ДНК, которая имеет значение, итак, все эти атенины, тимины, гуанины и цитозины, которые формируют ваш генетический код и дают вам все ваши очаровательные черты. У вас около 30 000 генов. Но оказывается, что в 100 раз больше генов бактерий со своими функциями внутри вас или на поверхности всю вашу жизнь. В лучшем случае вы на 10 процентов человек, но вероятнее около одного процента человек, в зависимости от того, какие метрики вам нравятся. Я знаю, вы считаете себя человеческими существами, но в моем представлении вы на 90 или 99 процентов бактерии.

(Смех)

Эти бактерии не пассивные участники, они необычайно важны: они поддерживают нашу жизнедеятельность. Они покрывают нас невидимыми доспехами, которые сдерживают атаки окружающей среды, так что мы остаемся здоровыми. Они переваривают нашу пищу, производят витамины, они обучают нашу имунную систему противостоять вредным микробам. Итак, они делают все эти удивительные вещи, которые помогают нам и являются жизненно необходимыми, но никто не вспоминает об этом. Однако о них вспоминают, потому что они также делают много плохого. Итак, на Земле есть разные виды бактерий, у которых нет никакого права находиться на или внутри вас, и если они внутри или на вас, вы заболеваете.

Поэтому вопрос для моей лаборатории в том, хотите ли вы думать о пользе, которую приносят бактерии, или о вреде бактерий. Вопрос в том, как бактерии могут делать хоть что-то? Они же так необычайно малы, необходим микроскоп, чтобы увидеть их. Они живут достаточно скучную жизнь, в которой они растут и делятся, и их всегда считали асоциальными организмами, живущими в уединении. И нам показалось, что они слишком малы, чтобы влиять на окружающую среду, если они просто действуют индивидуально. Поэтому мы решили подумать над тем, может ли быть другой способ, которым живут бактерии.

Мы получили ключ к разгадке от морской бактерии, это бактерия, которая называется Вибрио фишери. На этом слайде вы видите сотрудника моей лаборатории, который держит колбу с водянистой культурой бактерии, безобидной красивой бактерии, которая живет в океане и называется Вибрио фишери. У этой бактерии есть особенное свойство: она производит свечение, биолюминесценцию, похоже на то, как светятся светлячки. Мы ничего не делаем с клетками в данном случае. Мы просто сделали фото, выключив свет в комнате, и вот то, что мы увидели.

Нам было интересно не то, что бактерии светились, а то, когда они светились. Мы заметили, что когда бактерии в малом количестве, то есть когда они в разбавленной взвеси, они не светятся. Но когда они размножатся до определенного количества клеток, все бактерии одновременно включают свечение. Вопрос, который был у нас, это как бактерии, эти примитивные организмы, отличают период, когда они в одиночестве, от периода, когда они объединены, и когда они делают что-то все вместе. Мы выяснили, что они понимают это, потому что общаются друг с другом, и разговаривают при помощи языка химии.

Предположим, что это клетка бактерии. Когда она одна, она не светится. Но она производит и выделяет маленькие молекулы, которые вы себе можете представлять как гормоны, вот эти красные треугольники, и когда бактерия одна, молекулы просто уплывают, поэтому нет свечения. Но когда бактерии растут и удваиваются, и все они участвуют в производстве этих молекул, молекул - внеклеточное число этих молекул - становится больше пропорционально количеству клеток. И когда молекулы достигают определенного количества, это говорит бактериям, сколько у них соседей, они узнают эти молекулы и все бактерии синхронно включают свечение. Это то, как происходит биолюминесценция, - они разговаривают, используя химические слова.

Причина, по которой Вибрио фишери делает это, понятна из биологии. И снова реклама животных океана: Вибрио фишери живет в этом кальмаре. То, что вы видите, это Гавайский короткохвостый кальмар, его перевернули на спину, и то, что, я надеюсь, вы видите, это две светящиеся доли, это дом для клеток Вибрио фишери, они живут там и при большом количестве молекул они светятся. Причина, по которой кальмар согласен мириться с этой ерундой, в том, что ему нужен этот свет. Симбиоз происходит так: этот маленький кальмар живет неподалеку от берега на Гавайях, в мелкой, в колено глубиной воде. Кальмар ведет ночной образ жизни, поэтому днем он закапывается в песок и спит, а затем ночью выходит охотиться. В яркие ночи, когда много света луны и звезд, этот свет проникает в воду, где живет кальмар, так как это всего сантиметров 50 воды. У кальмара есть пластины, которые открывают и закрывают специализированный световой орган, где живут бактерии. Кроме того у него есть детекторы на спине, и он чувствует, как много света луны или звезд попадают на его спину. И он открывает и закрывает пластины, так что объем света, идущего снизу - тот свет, который производится бактериями, - точно соответствует количеству света, попадающего на спину кальмара, так что кальмар не оставляет тени. Он вообще-то использует свечение бактерий, чтобы направить свет ко дну как устройство от хищников, так что хищники не видят его тени, не могут просчитать его траекторию и съесть его. Он как самолет-невидимка океана.

(Смех)

Но если задуматься над этим, то у кальмара ужасная проблема, потому что в нем эта умирающая густая культура бактерий, и это не может продолжаться долго. И вот каждое утро, когда восходит солнце, кальмар возвращается спать, закапывается в песок, и у него есть насос, связанный с его циркадным ритмом, и когда восходит солнце, насос выкачивает около 95 процентов бактерий. Теперь бактерии разбавлены, их маленькая молекула-гормон исчезла, поэтому они не светятся, но, конечно, кальмара это не волнует. Он спит в песке. И пока день проходит, бактерии удваиваются, они выпускают молекулу и затем свечение начинается ночью, как раз когда это нужно кальмару.

Сначала мы выяснили, как бактерия делает это, но затем мы применили знания молекулярной биологии, чтобы понять механизм. И мы обнаружили, - опять возьмем нашу клетку бактерии, - что у Вибрио фишери есть белок, вот этот красный прямоугольник, это фермент, который производит эту маленькую молекулу-гормон - красный треугольник. Затем вместе с ростом клеток все они выпускают молекулу в окружающую среду, так что там становится много молекул. Также у бактерий есть рецептор на поверхности их клетки, которому молекула подходит, как ключ к замку. Они точно такие же, как рецепторы на поверхности клеток вашего тела. Когда молекулы увеличиваются до определенного количества, которое кое-что говорит о количестве клеток, они попадают в рецептор и информация идет в клетки, что говорит клеткам включить коллективное поведение по созданию свечения.

Это интересно потому, что за прошедшие десятилетия мы обнаружили, что это не просто случайная аномалия этой нелепой светящейся в темноте бактерии, которая живет в океане, - у всех бактерий есть похожая система. Итак, теперь мы знаем, что бактерии умеют общаться друг с другом. Они составляют химические слова, опознают эти слова и включают групповое поведение, которое успешно только когда все клетки действуют в согласии. У нас есть занятное название для этого: мы называем это чувством кворума. Они голосуют своими химическими голосами, голоса подсчитываются и каждый отвечает на голосование.

Что важно для сегодняшнего выступления, это что мы знаем, что есть сотни действий, которые бактерии выполняют вместе. Но есть одно, вероятно, наиболее важное для вас, это вирулентность. Это не то, чтобы пара бактерий попадает внутрь вас и начинают выделять токсины, - вы огромны, поэтому это не будет иметь эффекта на вас. Вы громадны. То, что они делают, теперь мы понимаем, это попадают в вас, выжидают, затем начинают расти, они считают свое количество с помощью этих маленьких молекул, узнают, когда их нужное количество, так что если все бактерии вместе начнут вирулентную атаку, они достигнут успеха в преодолении огромного хозяина. Бактерия всегда контролирует патогенность чувством кворума. Вот как это работает.

Тогда же мы решили посмотреть, какие они эти молекулы, те красные треугольники на предыдущих слайдах. Это молекула Вибрио фишери. Это слово, которым она разговаривает. Итак, мы начали рассматривать другие бактерии, и это просто небольшое число молекул, которое мы обнаружили. Я надеюсь вы сможете увидеть что молекулы близки. Левые части молекул идентичны для каждого вида бактерий. Но правые части молекул немного отличаются для каждого вида. Это придает тонкие видовые различия этим языкам. Каждая молекула подходит только рецептору своего партнера и никому другому. Поэтому это личные, тайные разговоры. Эти разговоры для общения внутри вида. Каждая бактерия использует определенную молекулу, которая является ее языком, который позволяет посчитать своих братьев.

Продвинувшись столь далеко, мы подумали, что мы начинаем понимать, что у бактерий есть социальное поведение. Но то, о чем мы главным образом задумались, это что в основном бактерии не живут поодиночке, они живут в невероятных смесях с сотнями или тысячами других видов бактерий. И это изображено на слайде. Это ваша кожа. Это просто картинка, микроснимок вашей кожи. Везде на вашем теле она выглядит почти точно так же, и я надеюсь, вы видите здесь разные виды бактерий. Мы начали думать, если действительно все дело в общении между бактериями и подсчете соседей, то недостаточно иметь возможность общаться только в пределах своего вида. Должен быть быть способ подсчета остальных бактерий в популяции.

Итак, мы вернулись к молекулярной биологии, стали изучать другии бактерии и теперь обнаружили, что в действительности бактерии многоязычны. У всех них есть специфическая для каждого вида система: в ней есть молекула, которая говорит "я". Вместе с ней существует и вторая система, которую мы обнаружили, и она универсальная. Итак, у них есть второй фермент, который производит второй сигнал и имеет свой рецептор, и эта молекула является языком торговли бактерий. Он используется всеми бактериями и это язык общения между видами. То, что происходит, это бактерия способна посчитать, сколько "нас" и сколько "вас". Они берут эту информацию и решают, какие задания выполнять, в зависимости от того, кто в меньшинстве, а кто в большинстве в любой популяции.

Затем мы снова обращаемся к химии: мы выяснили, какова универсальная молекула, это те розовые овалы на последнем слайде. Это очень маленькая пятиуглеродная молекула. Важная вещь, которую мы узнали, это что у каждой бактерии есть точно такой же фермент и производится точно такая же молекула. Поэтому все они используют эту молекулу для общения между видами. Это эсперанто бактерий.

(Смех)

Преуспев в этом, мы начали понимать, что бактерии могут разговаривать друг с другом этим химическим языком. И мы решили, что, может быть, этому есть также практическое применение. Я уже сказала, что у бактерий есть социальное поведение, они общаются с помощью этих молекул. И как я тоже уже сказала, одна из важных вещей, которые они делают, это инициируют патогенность, используя чувство кворума. Мы подумали о том, что будет, если мы сделаем что-то с бактериями, что они не смогут говорить или слышать. Может, это могли бы быть новые виды антибиотиков?

Конечно, вы уже слышали и знаете, что у нас недостаточно антибиотиков. Сейчас бактерии необычайно стойкие ко многим лекарствам, и все потому что все антибиотики, которые мы используем, убивают бактерии. Они либо разрывают мембрану бактерии, либо не позволяют бактериям воспроизвести свою ДНК. Мы убиваем бактерии традиционными антибиотиками и это порождает стойких мутантов. И поэтому сейчас мы имеем глобальную проблему с инфекционными болезнями. Мы подумали, вот если бы мы могли бы сделать изменения в поведении, достаточные, чтобы бактерии не могли говорить, считать и не знали, когда начать вирулентную атаку.

Это то, что мы действительно сделали, и мы использовали две стратегии. Первая заключается в том, что мы нацелились на систему общения внутри вида. Мы создали молекулы, которые выглядят как настоящие, которые вы видели, но они немного отличаются. Итак, они забиваются в рецепторы и препятствуют узнаванию настоящих молекул. Нацеливаясь на красную систему, мы смогли создать молекулы с характерным для конкретного вида или болезни чувством антикворума. То же самое мы сделали с розовой системой. Мы взяли универсальную молекулу, изменили ее немного, так что мы создали противников общения между видами. Я надеюсь, что это будет использовано в широком спектре антибиотиков, которые противостоят бактериям.

Чтобы закончить, я покажу вам одну стратегию. Здесь я просто использую межвидовую молекулу, но логика точно такая же. Как вы знаете, когда бактерия попадает в животное, в данном случае мышь, она не инициирует вирулентность сразу. Она попадает внутрь, начинает расти, выделять свои молекулы с чувством кворума. Она понимает, когда бактерий достаточно, все они начинают атаку и животное умирает. Нам удалось передать эти вирулентные инфекции, но мы передавали их вместе с молекулами с чувством антикворума, эти молекулы выглядят как настоящие, но они немного отличаются, что я показала на этом слайде. Нам теперь известно, что если мы передадим животному патогенные бактерии, стойкие ко многим лекарствам патогенные бактерии, вместе с передачей наших молекул с чувством антикворума, то животное продолжит жить.

Мы думаем, что это новое поколение антибиотиков, и это позволит нам преодолеть, по крайней мере в начале, эту большую проблему стойкости. Теперь вы знаете, что бактерии могут разговаривать друг с другом, они используют вещества в качестве слов, у них необычайно сложный химический лексикон, который мы только сейчас начинаем изучать. Конечно, это позволяет бактериям быть многоклеточной системой. В духе TED они все делают вместе, потому что это дает желаемый результат. То, что происходит, это у бактерий есть коллективное поведение и они могут выполнять задания, которые им никогда не выполнить, если бы они действовали по отдельности.

Я надеюсь, что смогла бы убедить вас, что это открытие многоклеточности. Бактерии жили на Земле миллиарды лет. Люди - пару сотен тысяч лет. Мы думаем, что бактерии создали правила того, как работает многоклеточная система. Мы думаем, что изучая бактерии, мы сможем постичь многоклеточность человеческого тела. Мы знаем, что законы и правила, если мы сможем понять их в этих примитивных организмах, есть надежда, что они также будут применимы к человеческим болезням и человеческому поведению. Я надеюсь, вы узнали, что бактерии могут отличать своих от чужих. Используя эти две молекулы, они могут сказать "я" и могут сказать "ты". И конечно это то, что происходит и молекулярным способом, и видимым способом, но мне интересен молекулярный способ.

Это именно то, что происходит в вашем теле. Не так, что клетки вашего сердца и почек смешиваются каждый день, и это потому, что происходит вся эта химия, эти молекулы, которые определяют, кто принадлежит какой группе клеток и каковы их задачи. Мы думаем, что бактерии создали это, вы просто более развиты, но все идеи находятся в этих простых системах, которые мы изучаем.

И наконец снова хочу повторить, что возможно практическое применение, и мы создали эти молекулы с чувством антикворума, они совершенствуются как новый вид терапии. И чтобы закончить с рекламой всех хороших и волшебных бактерий, живущих на Земле, мы также создали молекулы, поддерживающие чувство кворума. Итак, нашей целью являются эти системы, чтобы заставить молекулы работать лучше. Вы помните, внутри или на вас десятикратное или большее количество клеток бактерий и они поддерживают ваше здоровье. Мы также пытаемся усилить общение бактерий, которые живут во взаимовыгодном симбиозе с вами, надеясь сделать вас здоровее, улучшая это общение таким образом, чтобы бактерии совершали нужные нам действия лучше, чем если бы они их совершали самостоятельно.

Наконец, я хотела бы показать вам: это моя банда из Принстона, Нью Джерси. Все, о чем я вам рассказала, было обнаружено кем-то на этой фотографии. Надеюсь, когда вы узнаете что-то, как, например, живет мир природы, я просто хочу сказать, что когда вы читаете что-нибудь в газете или вам случается услышать разговор о чем-то смешном в мире природы, все это было сделано ребенком. Наука делается этими людьми. Все эти люди в возрасте от 20 до 30 лет и они двигатель научных открытий в этой стране. Это очень удачные люди для сотрудничества. Я становлюсь старше, а они всегда одного возраста, и это просто безумно увлекательная работа. Я хочу поблагодарить вас за приглашение сюда. Для меня это большое удовольствие участвовать в этой конференции.

(Аплодисменты)

Спасибо.

(Аплодисменты)