Bonnie Bassler o tom, ako sa baktérie rozprávajú

Baktérie sú najstaršími žijúcimi organizmami na Zemi. Sú tu už miliardy rokov a sú to jednobunkové mikroskopické organizmy. Takže je to len jedna bunka, ktorá má túto špecifickú vlastnosť, že má len jeden reťazec DNA. Majú veľmi málo génov a genetických informácií na zakódovanie všetkých svojich vlastností. Prežívajú takým spôsobom, že konzumujú živiny z okolia, narastú na dvojnásobok svojej veľkosti, rozdelia sa v strede a z jednej bunky sa stanú dve a tak ďalej a tak ďalej. Len rastú a delia sa a rastú a delia sa - čiže je to dosť nudný život, až na to, že ja by som povedala, že ste s týmito živočíchmi úžasne prepojení.

Viem, že si o sebe myslíte, že ste ľudia, a takto nejako o vás uvažujem aj ja. Tento muž reprezentuje bežného človeka a tieto krúžky vo vnútri sú všetky bunky, ktoré tvoria vaše telo. Máme v sebe asi bilión ľudských buniek, ktoré sa starajú o to, kým sme a umožňujú nám robiť všetko, čo vieme. Ale okrem toho máte počas celého života v sebe alebo na sebe 10 biliónov baktériových buniek. Čiže desaťkrát viac baktériových buniek ako ľudských buniek v rámci jedného človeka. A samozrejme, dôležitá tu je DNA, čiže tu máme všetky tie A, T, G a C, ktoré vytvárajú váš genetický kód a dali vám do vienka všetky tie šarmantné vlastnosti. Máte asi 30 000 génov. No a vysvitlo, že máte aj stokrát viac baktériových génov, ktoré majú svoju úlohu vo vás alebo na vás po celý váš život. Prinajlepšom ste človekom z 10%, ale pravdepodobnejšie len z jedného percenta, záleží na tom, ktorý z týchto modelov si vyberiete. Viem, že si o sebe myslíte, že ste ľudia, ale ja o vás rozmýšľam ako o 90 až 99 percentných baktériách.

(Smiech)

Tieto baktérie nie sú len pasívnymi spolujazdcami, sú neuveriteľne dôležité, udržujú nás pri živote. Zahaľujú nás do neviditeľného brnenia, ktoré nás chráni pred vonkajšími nepriaznivými vplyvmi, aby sme boli zdraví. Trávia naše jedlo, vyrábajú naše vitamíny, doslova vyučujú váš imunitný systém, ako má bojovať so zlými mikróbmi. Robia všetky tieto úžasné veci, ktoré nám pomáhajú a sú pre nás životne dôležité a nikde sa o tom nepíše. Veľkú publicitu si však získalo to, že robia aj veľa hrozných vecí. Na Zemi máme také druhy baktérii, ktoré vo vás či na vás za žiadnych okolností nemajú čo robiť, a ak tam sú, je vám z nich neuveriteľne zle.

Takže, otázka pre moje laboratórium je, či chcete radšej myslieť na tie dobré veci, čo baktérie robia, alebo na tie zlé. Otázka, ktorou sme sa zaoberali, bola, ako vôbec môžu niečo robiť. Chcem povedať, sú neskutočne malé, aby ste jednu videli, musíte mať mikroskop. Vedú tento takpovediac nudný život, v ktorom len rastú a delia sa a vždy boli považované za asociálne a samotárske organizmy. A tak sa nám zdalo, že sú až príliš malé, aby mohli mať nejaký dopad na prostredie, ak konajú len ako jednotlivci. A tak sme si povedali, či by tu nemohol byť aj iný spôsob, ako by baktérie mohli žiť.

Návod k tomuto nám dala ďaľšia morská baktéria, ktorá sa volá Vibrio fischeri. Na tomto snímku vidíte osobu z môjho laboratória, ktorá drží flakón plný kvapalnej bakteriálnej kultúry, Je to neškodná krásna baktéria pochádzajúca z oceánu, ktorú nazývame Vibrio fischeri. Táto baktéria má špeciálnu vlastnosť, že produkuje svetlo čiže ovláda bioluminiscenciu, ako keď svätojánske mušky svetielkujú. S týmito bunkami nič nerobíme. Záber sme urobili jednoducho tak, že sme vypli svetlá v miestnosti a ukázalo sa toto.

Pre nás však nebolo zaujímavé to, že baktérie svetielkujú, ale otázka, kedy svetielkujú. Všimli sme si totiž, že keď sú baktérie osamote, čiže keď sú v ich zriedenej suspenzii, túto schopnosť strácajú. Ale keď narastú do určitého počtu buniek, všetky baktérie začnú vydávať svetlo naraz. Otázka, ktorú sme si kládli, bola, ako môžu baktérie, tieto primitívne organizmy, rozoznať situáciu, keď sú samy od situácie, keď sú v spoločenstve, a potom urobiť niečo všetky naraz. A prišli sme na to, že to rozoznávajú tak, že sa spolu rozprávajú a to v jazyku chémie.

Toto je akože moja baktériová bunka. Keď je sama, nevydáva žiadne svetlo. Niečo však robí, a to uvoľňuje malé molekuly, niečo ako hormóny, a to sú tieto červené trojuholníky. A keď sú baktérie osamotené, tieto molekuly unikajú preč, čiže žiadne svetlo. Ale keď baktérie rastú a množia sa a všetky sa podieľajú na vylučovaní týchto molekúl, táto molekula - mimobunkové množstvo tejto molekuly vzrastie v priamej úmere k počtu buniek. A keď molekula dosiahne isté množstvo ktoré povie baktériám koľko majú susedov, spoznajú túto molekulu a naraz začnú vydávať svetlo. Takto funguje bioluminiscencia - rozprávajú sa pomocou týchto chemických slov.

Dôvod, prečo to Vibrio fischeri robí, vyplýva z biológie. Ďalšia reklama pre živočíchy žijúce v oceáne. Vibrio fischeri žije v tejto sépii. Teraz sa pozeráte na havajskú oliheň chvostnanú, ktorú sme otočili na chrbát a teraz dúfam, že vidíte tieto dva žiariace laloky - tieto zastrešujú bunky baktérie Vibrio fischeri. žijú tam, pri veľkom počte buniek je tam aj táto molekula, a vydávajú svetlo. A dôvod, prečo im sépia dovolí robiť túto neplechu je, že potrebuje toto svetlo. Táto symbióza funguje takto: táto malá sépia žije hneď pri havajskom pobreží v plytkej, asi po kolená hlbokej vode. Sépia je nočný tvor, čiže cez deň sa zahrabe do piesku a spí, ale v noci musí vyjsť von na lov. Počas svetlých nocí, keď je na oblohe veľa hviezd, či mesiac, môže to svetlo preniknúť až do hĺbky, v ktorej žije sépia, keďže je hlboká len tých pár stôp. Takže sépia si vyvinula takú clonu, ktorá sa otvára a zatvára nad týmto špeciálnym svetelným orgánom, ktorý obsahuje baktérie. Na chrbte má detektory, ktoré jej pomáhajú určiť, koľko hviezdneho alebo mesačného svetla dopadá na jej chrbát. A otvára a zatvára túto clonu, aby množstvo svetla vychádzajúceho zo spodu - ktoré vyprodukuje baktéria - presne sedelo s množstvom svetla dopadajúceho na chrbát sépie tak, aby sépia nevrhala tieň. V podstate používa svetlo od baktérií, na vlastné protiosvetlenie ako ochranu proti predátorom, tak, aby predátori nemohli vidieť jej tieň, vypočítať jej trajektóriu a zožrať ju. Je ako neviditeľný bombardér oceánu.

(Smiech)

Ale ak sa nad tým zamyslíte, sépia má jeden obrovský problém, pretože má túto zomierajúcu, hrubú bakteriálnu kultúru a nedokáže ju uživiť. Takže funguje to tak, že každé ráno, keď vyjde slnko, sépia ide spať a zahrabe sa do piesku. Má pumpu, ktorá je prispôsobená jej biorytmu, takže keď vyjde slnko, vypumpuje asi 95% baktérií. Takže baktérie sa rozptýlia, malá hormónová molekula je preč, čiže neprodukujú žiadne svetlo - ale samozrejme, sépii je to jedno. Ona spí v piesku. A v priebehu dňa sa baktérie množia, uvoľňujú molekuly a v noci začnú svietiť, presne vtedy, keď to sépii vyhovuje.

Najskôr sme prišli na to, ako to baktéria robí, ale potom sme použili prostriedky molekulárnej biológie, aby sme zistili presný mechanizmus. A prišli sme na to, - toto je opäť moja bakteriálna bunka - že Vibrio fischeri má proteín - to je ten červený rámček - je to enzým, ktorý produkuje tie malé molekuly hormónu - červené trojuholníčky. A ako bunky rastú, všetky uvoľňujú túto molekulu do prostredia, takže je tam množstvo molekúl. A baktérie majú tiež na povrchu svojej bunky receptor, ktorý pasuje s tou molekulou, ako kľúč do zámku. Podobné receptory sú aj na vašich bunkách. Keď sa počet molekúl zvýši na určité množstvo - ktoré vypovedá o počte buniek - molekula sa naviaže na receptor a do bunky sa dostane informácia, ktorá rozkáže bunkám spustiť toto kolektívne správanie produkujúce svetlo.

Zaujímavé to je preto, lebo za posledných desať rokov sme zistili, že to nie je len nejaká anomália tejto smiešnej po-tme-svetielkujúcej baktérie, ktorá žije v oceáne - všetky baktérie majú takýto systém. Čiže teraz vieme, že všetky baktérie vedia navzájom komunikovať. Vytvárajú chemické slová, rozoznávajú ich a aktivujú skupinové správanie, ktoré je úspešné len vtedy, keď participujú všetky bunky naraz. Máme pre to veľmi múdry názov, voláme to quorum sensing. Hlasujú s týmito chemickými hlasmi, ich hlas sa započíta a potom naň všetci reagujú.

Pre dnešnú prednášku je však dôležité, že vieme o stovkách druhov kolektívneho správania, ktorými sa baktérie vyznačujú. Ale asi jedným z najdôležitejších pre vás je virulencia. Nefunguje to tak, že sa do vás dostane pár baktérií a začnú vylučovať nejaké toxíny - ste príliš veľkí, nemalo by to na vás žiadny vplyv. Ste obrovskí. Teraz vieme, že v skutočnosti je to tak, že sa do vás dostanú, čakajú, začnú sa rozmnožovať, spočítajú sa pomocou týchto malých molekúl, a spoznajú, kedy už majú ten správny počet buniek na to, aby mohli úspešne prekonať obrovského hostiteľa, ak všetky baktérie spustia svoj toxický útok naraz. Baktérie používajú na riadenie patogenity vždy quorum sensing. Takto to funguje.

Potom sme sa tiež pozreli na to, čo sú tieto molekuly - boli to tie červené trojuholníčky z mojich predchádzajúcich snímkov. Toto je molekula Vibrio fischeri. Toto je slovo, ktorým komunikuje. Takže, potom sme si začali všímať ostatné baktérie, a tieto sú len zlomkom molekúl, ktoré sme objavili. Tu môžete vidieť, že molekuly sú spríbuznené. Ľavá strana molekuly je identická v každom jednom druhu baktérie. Pravá strana molekuly sa však líši v závislosti od druhu. Toto dodáva ich jazyku špecifickosť jednotlivých druhov. Každá molekula pasuje do receptora svojho partnera a nikde inde. Takže toto sú súkromné, tajné konverzácie. Tieto konverzácie sú pre vnútrodruhovú komunikáciu. Každá baktéria používa určitú molekulu ako svoj jazyk, aby mohla spočítať vlastných súrodencov.

Keď sme sa dostali až sem, mysleli sme si, že sme začali chápať, že baktérie majú toto sociálne správanie. Lenže v skutočnosti sme mysleli na to, že väčinou baktérie nežijú osamotené, žijú v neskutočných zmesiach so stovkami alebo tisíckami iných druhov baktérií. A to znázorňuje tento snímok. Toto je vaša pokožka. Takže toto je len fotografia - mikrosnímok vašej kože. Akákoľvek časť vášho tela vyzerá zhruba takto. A tu môžete vidieť všetky tie rozličné druhy baktérii, ktoré na nej sú. A tak sme si pomysleli, ak je to naozaj o komunikácii baktérií a o počítaní vašich susedov, nestačí iba vedieť komunikovať v rámci svojho druhu. Musí existovať aj spôsob, ako sčítať zvyšok baktérií v populácií.

Takže sme sa vrátili k molekulárnej biológií a začali sme študovať rôzne baktérie a zistili sme, že v skutočnosti baktérie ovládajú viacero jazykov. Všetky majú systémy špecifické pre ten ktorý druh - majú molekulu, ktorá vraví "ja". Ale zároveň majú aj druhý systém, ktorý sme objavili, paralelný s prvým, ktorý je všeobecný. Takže, majú druhý enzým, ktorý vydáva druhý signál, ktorý má vlastný receptor. A táto molekula je obchodným jazykom baktérií. Používajú ju všetky rôzne baktérie a je to jazyk medzidruhovej komunikácie. Čiže baktérie sú schopné spočítať počet baktérií "ja" a počet baktérií "oni". Zoberú si túto informáciu a rozhodnú sa, akú akciu vykonajú podľa toho, kto je v menšine a kto vo väčšine v akejkoľvek danej populácií.

Potom sme sa opäť obrátili na chémiu a zistili sme, čo táto generická molekula vlastne je - to boli tie ružové ovály na mojej poslednej snímke, toto je ono. Je to veľmi malá molekula s piatimi atómami uhlíka. Ale čo je dôležité, zistili sme, že každá baktéria má presne ten istý enzým a produkuje úplne rovnakú molekulu. Takže všetky používajú túto molekulu na medzidruhovú komunikáciu. Je to niečo ako bakteriálne esperanto.

(Smiech)

Keď sme sa dostali až sem, začali sme si uvedomovať, že baktérie spolu komunikujú pomocou tohto chemického jazyka. Ale začali sme uvažovať, že možno by sa s tým dalo urobiť niečo užitočné. Už som spomínala, že baktérie majú toto sociálne správanie, že komunikujú s týmito molekulami. A samozrejme, spomínala som, že jednou z dôležitých vecí, čo robia, je spúšťanie patogenity pomocou quorum sensing. A tak sme si pomysleli, čo ak by sme spôsobili, že tieto baktérie onemejú alebo ohluchnú? Nemohlo by to byť novým druhom antibiotík?

Isteže, práve ste počuli a už viete, že nám dochádzajú antibiotiká. Baktérie sú v súčasnosti neuveriteľne odolné voči mnohým liekom, a to preto, že všetky antibiotiká, ktoré používame, zabíjajú baktérie. Prerušia bakteriálnu membránu, a spôsobia, že baktéria nemôže skopírovať svoju DNA. Zabíjame baktérie tradičnými antibiotikami a to má za následok odolné mutácie. Takže teraz tu máme tento globálny problém v infekčných chorobách. A tak sme pomysleli, keby sme len mohli nejako zmeniť ich správanie tak, aby tieto baktérie nemohli komunikovať, nemohli počítať a nevedeli, ako spustiť virulentnosť.

A presne to sme urobili a použili sme pri tom dve stratégie. V prvej sme sa zamerali na systém vnútrodruhovej komunikácie. Takže sme vyrobili molekuly, ktoré vyzerajú trochu ako skutočné molekuly, ktoré ste videli - ale sú trošku iné. Takže sa naviažu na tie receptory, a tým znemožnia rozpoznanie skutočných baktérií. Zameraním sa na červený systém vieme vytvoriť molekuly, ktoré blokujú quorum sensing pre konkrétne druhy či choroby. Toto isté sme urobili aj s ružovým systémom. Zobrali sme túto univerzálnu molekulu a trošku sme ju poprevracali, takže sme vytvorili opozíciu pre systém medzidruhovej komunikácie. Dúfame, že by sa tieto molekuly mohli použiť pri širokom spektre antibiotík ktoré by fungovali proti všetkým baktériám.

Na záver vám tú stratégiu ukážem. Konkrétne v tejto používam len medzidruhovú molekulu, ale princíp je úplne rovnaký. Už viete, že keď sa baktéria dostane do zvieraťa, v tomto prípade do myši, nezačne byť virulentná hneď. Dostane sa dovnútra, začne rásť, začne vylučovať svoje molekuly pre quorum sensing. Rozpozná, kedy už má dostatok baktérií a až potom zaháji útok a zviera zomiera. Teraz ich môžme naočkovať týmito virulentnými infekciami, ale v kombinácii s našimi molekulami blokujúcimi quorum sensing - to sú tie, ktoré vyzerajú skoro ako skutočné molekuly, len sú trochu iné, čo som znázornila na tejto snímke. A teraz už vieme, že ak zvieraťu podáme patogenickú baktériu - odolnú voči viacerým liekom - a zároveň mu podáme naše molekuly blokujúce quorum sensing, výsledok je, že zviera prežije.

Myslíme si, že toto je nová generácia antibiotík a je to minimálne prvý krok k vyriešeniu tohto veľkého problému odolnosti. Takže teraz viete, že baktérie spolu vedia hovoriť, ako slová používajú chemické látky, majú neskutočne komplikovanú chemickú slovnú zásobu, ktorú len začíname spoznávať. Toto samozrejme umožňuje baktériám stať sa mnohobunkovými. Takže v duchu TEDu robia všetko spoločne, pretože to má pre ne význam. Čiže baktérie majú toto kolektívne správanie a dokážu vykonať veci, ktorých by nikdy neboli schopné, ak by konali jednotlivo.

Ďalej by som vám rada povedala, že toto je objav mnohobunkovosti. Baktérie sú na Zemi už miliardy rokov. Ľudia - pár stoviek tisíc. Myslíme si, že baktérie nastavili pravidlá, ktoré riadia fungovanie mnohobunkových organizmov. Myslíme si, že štúdiom baktérií budeme schopní pochopiť mnohobunkovosť v ľudskom tele. Vieme, že ak sa nám podarí prísť na princípy a pravidlá v týchto takpovediac primitívnych organizmoch, môžeme dúfať, že budú platiť aj pre ostatné ľudské choroby a ľudské správanie. Dúfam, že ste sa naučili, že baktérie vedia rozoznať seba od iných. Použitím týchto dvoch molekúl vedia povedať "ja" a vedia povedať "oni". A samozrejme, toto robíme aj my, tak na molekulárnej úrovni, ako aj na vonkajšej rovine, ale teraz mám na mysli molekuly.

Presne toto sa deje vo vašom tele. Vaše srdcové bunky sa nemiešajú s vašimi obličkovými bunkami, a to práve vďaka celej tejto chémii, vďaka molekulám, ktoré určia ktorá skupina buniek je ktorá a aká je ich úloha. Opakujem, myslíme si, že toto vynašli baktérie, vy ste si len vyvinuli pár luxusných doplnkov navyše, ale hlavné myšlienky sú zakotvené v týchto jednoduchých systémoch, ktoré môžeme pozorovať.

A nakoniec, aby som znovu zopakovala praktický úžitok, sme vyrobili tieto molekuly blokujúce quorum sensing, ktoré sa práve vyvíjajú ako nové druhy terapeutík. Ale potom, aby som na koniec vzdala hold všetkých dobrým a zázračným baktériám na Zemi, sme vyrobili aj molekuly podporujúce quorum sensing. Takže sme sa zamerali na tie systémy, ktoré vylepšujú fungovanie molekúl. Spomeňte si, že máte na sebe či v sebe desaťkrát viac baktériových molekúl, ktoré chránia vaše zdravie. Tiež sa snažíme podporovať komunikáciu baktérií, ktoré s vami žijú vo vzájomnom spolužití, a dúfame, že to vylepší váš zdravotný stav. Zlepšením tejto komunikácie budú baktérie schopné robiť veci, ktoré od nich chceme lepšie, ako keby na to boli samy.

A nakoniec som vám chcela ukázať môj tím z Princetonu, v New Jersey. Všetko, o čom som vám hovorila, bolo objavené niekým na tejto fotke. A keď sa niečo učíte, napríklad to, ako funguje svet prírody - chcem len povedať, že kedykoľvek niečo čítate v novinách, alebo počujete prednášku o niečom absurdnom zo sveta prírody, objavilo to dieťa. Vedu robí táto veková skupina. Všetci títo ľudia majú od 20 do 30 rokov. a sú hnacími motormi vedeckých objavov v tejto krajine. Je naozajstným šťastím pracovať s touto vekovou kategóriou. Ja som stále staršia a staršia, ale oni sú vždy rovnako starí, a je to šialene príjemné zamestnanie. Chcem sa vám poďakovať za pozvanie sem. Je pre mňa veľkou cťou byť na tejto konferencii.

(Potlesk)

Ďakujem.

(Potlesk)