Boni Besler (Bonnie Bassler) o tome kako bakterije komuniciraju

Bakterije su najstariji živi organizmi na Zemlji. Postoje ovde milijardama godina, i one su ustvari jednoćelijski mikroskopski organizmi. Znači, one su samo jedna ćelija, i imaju jedno posebno svojstvo, da imaju samo jedan DNK molekul. Imaju veoma malo gena, i genetskog materijala za ispisivanje svih sposobnosti koje nose. A način na koji bakterije žive, jeste taj da one uzimaju hranljive sastojke iz sredine, porastu duplo u odnosu na svoju veličinu, podele se po sredini, i jedna ćelija postaje dve, i tako dalje i tako dalje. One samo rastu i dele se, rastu i dele se - znači prilično dosadan život, osim, što bih htela da vam pokažem, jeste da imate fantastičnu interakciju sa ovim stvorenjima.

Znam da vi o sebi mislite kao o ljudima, a ovako ja otprilike mislim o vama. Ovaj čovek treba da predstavlja ljudsko biće, generalno, i svi krugovi na tom čoveku su sve ćelije koje čine vaše telo. Postoji otprilike trilion ljudskih ćelija, koje čine svakog od nas, ko smo i šta smo sve sposobni da uradimo, ali postoji 10 triliona bakterijskih ćelija u vama i na vama, u bilo kom trenutku vašeg života. Znači, 10 puta više bakterijskih ćelija nego ljudskih ćelija na jednom ljudskom biću. I naravno, DNK je ono što se računa, pa su tu svi A, T, G i C, koji čine vaš genetski kod i daju vam sve vaše očaravajuće karakteristike. Vi imate otprilike 30.000 gena. E pa, kako izgleda, imate 100 puta više bakterijskih gena, koji igraju neku ulogu u vama ili na vama, tokom čitavog vašeg života. U najboljem slučaju, vi ste 10 procenata čovek, ali verovatnije negde oko jednog procenta čovek, u zavisnosti od toga koja vam se od ovih metrika više dopada. Znam da o sebi razmišljate kao o ljudskim bićima, ali ja o vama razmišljam kao 90 ili 99 procenata bakterija.

(Smeh)

Ove bakterije nisu samo pasivni putnici, one su neverovatno važne, one nas održavaju u životu. One nas prekrivaju nevidljivim oklopom koji nas štiti od različitih povreda okoline, kako bismo ostali zdravi. One vare našu hranu, prave naše vitamine, one ustvari uče vaš imuni sistem da loše mikrobe drže napolju. Znači, one rade sve ove neverovatne stvari, koje nam pomažu i koje su neophodne kako bismo živeli, a nikada se ništa o tome ne piše. Ali se mnogo piše o njima, jer one isto tako prave mnoge strašne stvari. Znači, postoje različite vrste bakterija na Zemlji koje nemaju nikakve potrebe da budu u vama ili na vama, u bilo kom momentu, a ako jesu, onda vas čine neverovatno bolesnim.

I tako je pitanje za moju laboratoriju da li želite da mislite o svim dobrim stvarima koje bakterije rade, ili svim lošim stvarima. Naše pitanje je bilo kako one uopšte mogu bilo šta da urade? Mislim, one su neverovatno male, potreban vam je mikroskop da vidite jednu. Žive taj neki dosadan život, u kom rastu i dele se, i oduvek se smatralo da su asocijalni, usamljeni organizmi. I tako nam se činilo da su isuviše mali da bi imali uticaja na okolinu ako delaju pojedinačno. I hteli smo da razmišljamo o tome da li postoji drugačiji način na koji bakterija živi.

Ideja je potekla od jedne morske bakterije, bakterije koja se zove Vibrio fischeri. Ono što vidite na ovom slajdu je samo jedna osoba iz moje laboratorije kako drži bocu sa tečnom kulturom bakterije, bezazlene, prelepe bakterije koja dolazi iz okeana, i zove se Vibrio fischeri. Ova bakterija ima posebnu sposobnost da stvara svetlo, i tako stvara bioluminiscenciju, kao što svici stvaraju svetlost. Mi ovde ništa ne radimo sa ćelijama. Jednostavno smo napravili fotografiju kada smo isključili svetla u prostoriji i ovo je ono što vidimo.

Ono što nam je ustvari bilo zanimljivo, nije to da bakterija stvara svetlost, nego kada bakterija stvara svetlost. Ono što smo primetili jeste da kada su bakterije same, kada su bile u razblaženoj suspenziji, one nisu stvarale svetlost. Ali kada se broj ćelija uvećao, do neke određene vrednosti, sve bakterije su simultano uključile svetlo. Pitanje koje smo imali je kako bakterije, ti primitivni organizmi, mogu da uoče razliku između toga kada su same, i kada su u zajednici, i onda sve zajedno urade nešto. Ono što smo shvatili, jeste da je način na koji to rade ustvari razgovor, i da one razgovaraju jezikom hemije.

Ovo sada treba da bude moja bakterijska ćelija. Kada je sama, ne pravi nikakvo svetlo. Ali ono što radi je da stvara i luči male molekule, koje možete da zamislite kao hormone, i to su ovi crveni trouglovi, i kada je bakterija sama molekuli samo plutaju okolo i nema svetla. Ali kada bakterija naraste i umnoži se, i kada svi učestvuju u stvaranju ovih molekula, molekul -- vanćelijska količina ovog molekula povećava se proporcionalno broju ćelija. I kada molekuli dođu do određenog broja to govori bakteriji koliko suseda ima, one prepoznaju taj molekul i sve bakterije uključe svetlo, sinhronizovano. Tako funkcioniše bioluminiscencija -- one razgovaraju ovim hemijskim rečima.

Razlog zbog kojeg Vibrio fischeri to radi, dolazi iz biologije. Opet, još jedan utikač za životinje u okeanu, Vibrio fischeri živi u ovoj sipi. Ono što vidite je Hawaiian Bobtail sipa, koja je okrenuta na leđa, i ono što se nadam da možete da vidite, su ova krila koja sijaju, i u kojima su smeštene ćelije Vibrio fischeri, one tu žive i kada je visok broj ćelija, taj molekul je prisutan i one stvaraju svetlost. Razlog zbog kojeg sipa prihvata ove podvale je zato što želi to svetlo. Ova simbioza funkcioniše jer ove male sipe žive uz samu obalu Havaja, u plitkoj vodi, dubine kolena. Sipa je noćno stvorenje, tako da tokom dana spava zakopana u pesku, ali noću, ona mora da izađe kako bi lovila. Tokom vedrih noći, kada ima dosta mesečine i svetlosti zvezda, ta svetlost može da se probije kroz vodu u kojoj sipa živi, pošto se nalazi u plićaku. Ono što je sipa razvila, jeste neka vrsta zatvarača koji može da se otvori i zatovri, iznad ovog specijalnog organa gde su bakterije. Na leđima ima detektore kako bi mogla da oseti koliko mesečine pada na njena leđa. I zatim otvara i zatvara ovaj zatvarač tako da količina svetla koja dolazi sa dna -- a koju stvaraju bakterije -- bude ista kao količina svetla koja pada sipi na leđa, kako ne bi napravila senku. Ona ustvari koristi svetlost bakterija kao sredstvo kontra-svetla, kao sistem zaštite kako predatori ne bi mogli da vide njenu senku, izračunaju njenu putanju i pojedu je. Ovo je nešto kao stelt bombarder okeana.

(Smeh)

Ali ako malo bolje razmislite, sipa ima ovaj strašan problem jer ima ovu umiruću, gustu kulturu bakterija koju ne može da održava. I šta se onda dešava, svako jutro kada se pojavi sunce sipa odlazi da spava, zakopavajući se u pesak, i ima pumpu koja je spojena sa njenim svakodnevnim ritmom, i kada sunce izađe, ona ispumpa nekih 95 procenata bakterije. Sada su bakterije razređene, onaj mali hormonski molekul je nestao, pa one ne stvaraju svetlost -- ali sipu naravno nije ni briga. Ona spava u pesku. I kako dan odmiče, bakterije se umnožavaju, ispuštaju molekul i svetlo se pojavljuje uveče, baš onda kada je sipi potrebno.

Prvo smo shvatili kako to ova bakterija radi, a onda smo uzeli alate molekularne biologije da zaista shvatimo kakav je to mehanizam. I ono što smo pronašli -- ovo je ponovo moja bakterijska ćelija -- je to da Vibrio fischeri ima protein -- to je ova crvena kutijica -- to je enzim koji čini ovaj mali hormonski molekul -- crveni trougao. A zatim, kako broj ćelija raste, sve one ispuštaju taj molekul u svoju sredinu, pa tako ima mnogo molekula. A bakterija takođe ima receptor na površini ćelije koji se uklapa kao brava s ključem, sa tim molekulom. Ovi receptori su isti kao i oni na površini vaših ćelija. Kada se broj molekula poveća do određenog broja -- što govori o broju ćelija -- on se zaključava u taj receptor i informacija dolazi u ćelije i govori ćelijama da uključe to kolektivno ponašanje da prave svetlost.

Ovo je interesantno zbog toga što smo u prošloj deceniji otkrili da ovo nije samo neka anomalija ove smešne sija-u-mraku bakterije, koja živi u okeanu -- sve bakterije imaju ovakve sisteme. Ono što sada shvatamo jeste da sve bakterije mogu da razgovaraju međusobno. One prave hemijske reči, prepoznaju te reči, i uključuju grupno ponašanje, koje uspešno funkcioniše kada sve ćelije učestvuju zajedno. Imamo fensi ime za ovo, zovemo to kvorumska percepcija. Oni glasaju ovim hemijskim glasovima, glasovi se prebroje i onda svi odgovore na ono što je izglasano.

Ono što je važno za današnji govor, jeste to da znamo da postoji stotine ponašanja koje bakterije sprovode na ovaj zajednički način. Ali ono koje je vama verovatno najvažnije jeste zaraza. Nije to kao da nekoliko bakterija uđe u vaš organizam i počne da proizvodi neke toksine -- vi ste ogromni, to ne bi imalo nikakvog efekta na vas. Vi ste ogromni. Ono što one rade, a to sada razumemo, jeste da uđu u vaš organizam, čekaju, počnu da rastu, prebrojavaju se uz pomoć ovih malih molekula, i prepoznaju kada imaju odgovarajući broj ćelija da ako sve bakterije zajedno otpočnu svoj napad zaraze, onda uspešno mogu da savladaju ogromnog domaćina. Bakterije uvek kontrolišu oboljevanje ovom kvorumskom percepcijom. Tako to funkcioniše.

Zatim smo želeli da pogledamo šta su ustvari ovi molekuli -- to su bili oni crveni trouglovi na prošlom slajdu. Ovo je molekul Vibrio fischeri. Ovo je reč uz pomoć koje govori. Onda smo počeli da posmatramo druge bakterije, i ovo je samo deo molekula koje smo otkrili. Ono što se nadam da možete da vidite jeste da su molekuli povezani. Deo molekula s leve strane je identičan kod svih vrsta bakterija. Ali desni deo molekula je pomalo drugačiji kod svake pojedinačne vrste. To je ono što ustvari daje odabranoj vrsti specifičnosti njihovih jezika. Svaki molekul uklapa se sa svojim partnerskim receptorom i ni jednim drugim. Tako da su ovo privatni, tajni razgovori. Ovi razgovori su samo za komunikaciju u okviru vrste. Svaka bakterija koristi poseban molekul, koji je njen jezik, koji omogućava prebrojavanje svojih rođaka.

Kada smo dotle došli, mislili smo da smo na početku shvatanja da bakterije imaju društveno ponašanje. Ali ono o čemu smo zaista razmišljali jeste da većinu vremena bakterije ne žive same, već žive u neverovatnim mešavinama sa stotinama ili hiljadama drugih vrsta bakterija. I to je prikazano na ovom slajdu. Ovo je vaša koža. Ovo je znači samo slika -- mikrograf vaše kože. Bilo gde na vašem telu, to izgleda manje više ovako, i ono što se nadam da možete da vidite, jeste da tu ima raznih vrsta bakterija. Počeli smo da razmišljamo da li je ovo zaista vezano za komunikaciju među bakterijama i o brojanju svojih suseda, i kako nije dovoljno da samo možete da razgovarate u okviru svoje vrste. Mora da postoji način da se napravi popis ostalih bakterija u okviru populacije.

Zato smo se vratili molekularnoj biologiji i počeli da proučavamo različite bakterije, i ono što smo otkrili jeste da su bakterije ustvari multilingvalne Sve one imaju sistem koji je specifičan za vrstu -- one imaju molekul koji kaže "ja". Ali pored tog, one imaju drugi, paralelan, sistem, koji smo otrkili, koji je opšti. Znači, imaju drugi enzim koji daje drugi signal i koji ima svoj sopstveni receptor, i taj molekul je bakterijski jezik razmene. Koriste ga sve različite bakterije, i to je jezik komunikacije među vrstama. Ono što se događa, jeste da bakterije mogu da prebroje koliko ima "mene" i koliko ima "tebe". One prihvataju tu informaciju, i odlučuju koji će zadatak da obave, u zavisnosti od toga ko je u manjini, a ko u većini u okviru date populacije.

Onda smo se ponovo okrenuli hemiji, i shvatili smo šta je ovaj opšti molekul -- to su bili roze ovalni oblici na poslednjem slajdu, to je to. To je veoma mali molekul C5. Ono što je važno jeste da smo naučili, da svaka bakterija ima isti enzim i pravi potpuno isti molekul. Znači sve one koriste ovaj molekul za komunikaciju među vrstama. To je bakterijski Esperanto.

(Smeh)

Kada smo dotle stigli, počeli smo da učimo da bakterije razgovaraju međusobno uz pomoć ovog hemijskog jezika. Ali počeli smo da mislimo da možda postoji nešto praktično, što ovde možemo da uradimo. Rekla sam vam da bakterije imaju razna društvena ponašanja, da komuniciraju uz pomoć ovih molekula. Takođe sam vam rekla da jedna od važnih stvari koju rade jeste izazivanje bolesti uz pomoć kvorumske percepcije. Mislili smo, šta ako napravimo da bakterije ne mogu da pričaju ili ne mogu da čuju? Zar to ne bi bila nova vrsta antibiotika?

Naravno, upravo ste čuli i već znate da nam ponestaje antibiotika. Bakterije su trenutno veoma otporne na razne vrste lekova, a to je zato što svi antibiotici koje koristimo ubijaju bakterije. Oni razbijaju membranu bakterije, i bakterija ne može ponovo da napravi svoj DNK. Mi ubijamo bakterije sa tradicionalnim antibioticima a to stvara otporne mutante. I zato sada imamo ovaj globalni problem kada su infektivne bolesti u pitanju. Mislili smo, šta ako bismo mogli da napravimo promene u ponašanju, da onemogućimo bakterije da razgovaraju, da ne mogu da se prebroje, i tako ne znaju da lansiraju svoj otrov.

I to je upravo ono što smo uradili i napravili smo dve strategije. Prva je da smo ciljali na sistem komunikacije između vrsta. Napravili smo molekule koji izgledaju kao pravi molekuli -- koje ste videli -- ali su malo drugačiji. I tako se oni uklope sa receptorima, i blokiraju prepoznavanje prave stvari. Ciljajući crveni sistem, možemo da napravimo određenu vrstu, ili anti-kvorumske molekule za određenu bolest. Isto smo uradili i sa rozim sistemom. Uzeli smo univerzalni molekul i malo ga promenili, tako što smo napravili protivnike komunikacionom sistemu između vrsta. Nadamo se da će ovo biti upotrebljeno za različite vrste antibiotika koji rade protiv bakterija.

Za kraj ću vam samo pokazati strategiju. U ovoj koristim samo molekule različitih vrsta ali je princip potpuno isti. Ono što znate je da kada bakterija uđe u životinju, u ovom slučaju u miša. ona ne pušta otrov odmah. Ona uđe unutra, počne da raste, počne da emituje svoje molekule za kvorumsku percepciju. Prepoznaje kada ima dovoljno bakterija da može da lansira svoj napad, i životinja umire. Ono što smo uspeli da uradimo jeste da damo ove otrovne infekcije, ali smo ih dali zajedno sa anti-kvorumskim molekulima percepcije -- to su molekuli koji izgledaju kao prava stvar, ali su malo drugačiji, što sam predstavila na ovom slajdu. Ono što sada znamo, jeste da ako lečimo životinju sa patogenom bakterijom -- patogena bakterija otporna na spektar lekova -- a u isto vreme joj dajemo naš anti-kvorumski molekul percepcije, životinja će, ipak, preživeti.

Mislimo da je ovo nova generacija antibiotika, i bar u početku ćemo uspeti da zaobiđemo ovaj veliki problem otpora. Nadam se da mislite da bakterije mogu da razgovaraju međusobno, da koriste hemikalije kao reči, da imaju neverovatno komplikovan hemijski leksikon, koji tek sada počinjemo da učimo. Naravno, to omogućava bakterijama da budu višećelijske. I u duhu TED-a one zajedno rade stvari jer to je ono što menja stvari. Ono što se dešava jeste da bakterije imaju ova kolektivna ponašanja, i mogu da izvršavaju zadatke koje nikada ne bi mogle da urade kada bi delovale pojedinačno.

Ono, što se nadam, da mogu dalje da vas uverim, jeste da je ovo višećelijski izum. Bakterije su na Zemlji milijardama godina. Ljudi -- nekoliko stotina hiljada. Mi mislimo da su bakterije napravile pravila za funkcionisanje višećelijske organizacije. Mi mislimo, da ćemo proučavajući bakterije, moći da steknemo uvid u to kako višećelijsko funkcioniše u ljudskom telu. Znamo da principi i pravila, ukoliko ih shvatimo kod ovih primitivnih organizama, moći će, nadamo se, da se primene i na druge bolesti čoveka, kao i na ponašanje čoveka. Nadam se da je ono što ste naučili to da bakterija može da razlikuje sebe od drugih. Koristeći ova dva molekula, one mogu da kažu "ja" i mogu da kažu "ti". Opet, naravno, to je ono što i mi radimo i na molekularnom nivou, kao i na onom spoljašnjem, vidljivom nivou, ali ja razmišljam o molekularnim stvarima.

Ovo je upravo ono što se dešava u vašem telu. Nije kao da se ćelije vašeg srca i bubrega pomešaju svakog dana, a to je sve zbog ove hemije, ovih molekula koji govore koja je tačno koja grupa ćelija, i koji je njihov zadatak. Opet, mi mislimo da su bakterije to izmislile, a vi ste samo evoluirali dalje, ali sve ideje su u ovim jednostavnim sistemima koje možemo da proučavamo.

Poslednja stvar je, da ponovim da postoji taj praktični deo, da smo napravili ove anti-kvorumske molekule percepcije koji se razvijaju kao nova vrsta lekova. Ali, da završim sa priključkom za sve dobre i čudesne bakterije koje žive na Zemlji, takođe smo napravili i pro-kvorumske molekule percepcije. Ciljali smo na one sisteme zbog kojih će molekuli raditi bolje. Setite se da imate 10 puta ili više bakterijskih ćelija u sebi ili na sebi, koje vas održavaju zdravima. Ono što takođe pokušavamo da uradimo, jeste da pojačamo razgovore bakterija koje žive u zajednici sa vama, kako bismo vas učinili zdravijim, poboljšavajući te razgovore, kako bi bakterije radile ono što mi hoćemo bolje nego što bi to one same uradile.

Na kraju, htela sam da vam pokažem ovo je moje društvo na Prinstonu, Nju Džerzi. Sve što sam vam ispirčala otkrio je neko ko se nalazi na toj slici. Nadam se da kada učite stvari, kao na primer o tome kako funkcioniše svet prirode -- hoću samo da kažem da kad god pročitate nešto u novinama ili čujete nekog da priča o nečem smešnom u svetu prirode, to je uradilo dete. Nauku stvara taj deo populacije. Svi ti ljudi su između 20 i 30 godina starosti, i oni su motor koji pokreće naučna otkrića u ovoj zemlji. To je veoma srećna populacija s kojom može da se radi. Ja stalno starim i starim, a oni su uvek istih godina, i to je jedan ludo izvrstan posao. Želim da vam se zahvalim što ste me pozvali ovde. Velika je poslastica za mene da budem na ovoj konferenciji.

(Aplauz)

Hvala.

(Aplauz)