Bonnie Bassler om hur bakterier kommunicerar.

Bakterier är de äldsta levande organismerna på jorden. De har funnits här i miljarder år, och det de är, är encelliga mikroskopiska organismer. De består av en enda cell och har den speciella egenskapen att de bara har en enda DNA-molekyl. De har väldigt få gener, och lite genetisk information för att koda alla deras egenskaper. Och sättet på vilket bakterier livnär sig är att de konsumerar näringsämnen från omgivningen, de växer till sin dubbla storlek, delar sig på mitten, och en cell blir till två, osv. De bara växer och delar på sig. På sätt och vis ett trist liv, bortsätt från att jag skulle vilja påstå att du har ett fantastiskt samspel med dessa små kryp.

Jag vet att ni ser er som människor och på sätt och vis gör jag det med. Den här personen ska representera en vanlig människa, och alla cirklar i figuren är alla de celler som utgör din kropp. Vi består av ungefär tusen miljarder mänskliga celler som gör oss till dem vi är och gör det möjligt för oss att göra det vi gör. Men du har ungefär tio tusen miljarder bakteriella celler i dig eller på dig varje ögonblick av ditt liv. Alltså, tio gånger så många bakteriella som mänskliga celler på en människa. Men så klart - det är DNA:t som räknas. Så här har du alla A,T, G och C som utgör din genetiska kod och som ger dig alla dina charmiga drag. Du har ungefär 30.000 gener. Men det visar sig att du har ungefär 100 gånger fler bakteriella gener som spelar en roll i eller på dig under hela ditt liv. Som mest är du alltså tio procent människa men mer troligt, omkring en procent människa, beroende på vilket av dessa sätt att räkna du föredrar. Jag vet att ni ser er själv som människor, men jag ser er som 90 till 99 procent bakteriella.

(Skratt)

De här bakterierna är inga passiva fripassagerare. De är otroligt viktiga, de håller oss vid liv. De täcker oss i en osynlig rustning som håller miljöorsakade sjukdomar borta så vi kan hålla oss friska. De smälter vår mat, de tillverkar våra vitaminer, de lär faktiskt ditt immunförsvar att hålla illasinnade mikrober borta. De gör alla de här fantastiska sakerna som hjälper oss och som är avgörande för att hålla oss vid liv men de får aldrig någon press för det. Men de får mycket press för att de gör en massa hemska saker. Det finns mängder av bakterier på jorden som inte har något som helst att göra vare sig i eller på dig. Och om de gör det, blir du otroligt sjuk.

Så, frågan för mitt lab är huruvida du vill tänka på alla bra saker bakterier gör eller alla de dåliga. Frågan vi funderade på var hur de kunde göra någonting överhuvudtaget. Jag menar de är ju så otroligt små, man behöver ett mikroskop för att se en. De lever ett rätt tråkigt liv, de växer och delar sig, och de har alltid betraktats som associala tillbakadragna organismer, Vi tyckte helt enkelt att de är för små för att ha någon inverkan på miljön om de bara agerar som individer. Så vi funderade på om det inte kunde finnas ett annat sätt bakterier lever på.

En ledtråd kom från en marin bakterie, en bakterie som heter Vibrio fischeri. Vad du ser på den här bilden är en person från mitt lab som håller en kolv med en bakteriekultur. En harmlös vacker bakterie som kommer från haven, som heter Vibrio fischeri. Den här bakterien har den speciella egenskapen att den kan producera ljus så den skapar biologiskt alstrat ljus, på samma sätt som eldflugor gör. Vi gör ingenting alls med cellerna här. Vi tog bara bilden genom att släcka lyset i rummet, och det här är vad vi ser.

Vad som egentligen intresserade oss var inte att bakterierna producerade ljus, utan när bakterierna producerade ljus. Det vi noterade var att när bakterierna var ensamma, alltså i en utspädd lösning, så producerade de inget ljus. Men när de förökade sig till ett visst antal så slog alla bakterierna på ljuset samtidigt. Frågan vi hade var - hur kan bakterier, dessa primitiva organismer, avgöra skillnaden mellan att de är ensamma och att de befinner sig i grupp, och sen göra någonting tillsammans. Vad vi kommit fram till är att de gör det genom att tala med varandra, och de talar ett kemiskt språk.

Det här ska nu föreställa min bakteriecell. När den är ensam producerar den inget ljus. Men vad den gör är att fabricera och utsöndra små molekyler som du kan föreställa dig som hormoner, och dessa är de röda trianglarna, och när bakterien är ensam så flyter bara molekylerna iväg och inget ljus uppstår. Man när bakterierna växer och fördubblas och de alla deltar i den här molekylproduktionen kommer molekylen - det antal av den molekyl som finns utanför cellen - att öka i proportion till antalet celler. Och när molekylen når ett visst antal som berättar för bakterierna hur många grannar det finns så känner de igen molekylen och så slår de alla synkroniserat på ljuset. Det är så biologiskt alstrat ljus fungerar - de talar med de här kemiska orden.

Anledningen att Vibrio fischeri gör så kommer från biologin. Ytterligare lite reklam för djuren i haven, Vibrio fischeri lever i den här tioarmade bläckfisken. Vad du ser här är den tioarmade bläckfisken Hawaiian Bobtail Squid, och den ligger på ryggen, och det jag hoppas att du kan se är de här två glödande loberna, och i dem håller Vibrio fischeri-cellerna hus. De lever där inne, i så stort antal att molekylen finns där, och de producerar ljus. Anledningen till att bläckfisken är villig att stå ut med de här skojarna är att den vill åt ljuset. Den här symbiosen fungerar på så sätt att den här lilla bläckfisken lever precis vid kusten utanför Hawaii, i ungefär knädjupt vatten. Bläckfisken är ett nattdjur, så på dagen gräver den ner sig i sanden och sover, men på natten måste den komma ut för att jaga. Ljusa nätter när det är mycket stjärnor eller starkt månsken kan ljuset penetrera vattnet ner till det djup där bläckfisken lever eftersom det bara är en dryg halvmeter djupt. Vad bläckfisken har utvecklat är en slutare som kan öppna sig över det speciella ljusorgan där bakterierna håller hus. Sen har den detektorer på ryggen så den kan avgöra hur mycket stjärn- eller månsken som träffar ryggen. Och den öppnar och stänger slutaren så att ljuset som kommer ut på undersidan - som producerats av bakterierna - exakt motsvarar ljuset som träffar bläckfiskens rygg, så den inte skapar någon skugga. Den använder faktiskt ljuset från bakterierna att motbelysa sig själv med en antirov-anordning så att rovdjur inte ska kunna se dess skugga beräkna dess färdriktning och äta upp den. Det här är som havets osynliga stealth-bombflygplan.

(Skratt)

Men om man tänker på saken så har bläckfisken ett fruktansvärt problem för den har den här döende tjocka bakteriekulturen som den inte kan bära runt på. Så vad som sker är att varje morgon när solen går upp och det är dags för bläckfisken att sova, gräver den ner sig i sanden och den har en pump som är styrd av dess inre klocka så när solen går upp pumpar den ut si så där 95 procent av bakterierna. Nu när bakterierna är utspädda har den lilla hormonmolekylen försvunnit så de inte producerar något ljus men det bryr sig naturligtvis inte bläckfisken om eftersom den sover i sanden. Och allteftersom dagen går förökar sig bakterierna, de släpper ut molekylen, och så slås ljuset på när natten kommer, exakt när bläckfisken vill det.

Först listade vi ut hur den här bakterien gör det här, men sen kopplade vi in molekylärbiologins verktyg för att komma på vad det är för mekanism. Och vad vi fann, det här ska alltså föreställa min bakteriecell igen - är att Vibrio fischeri har ett protein - det är den röda rutan - det är ett enzym som producerar den där lilla hormonmolekylen - den röda triangeln. Och sen allteftersom cellerna blir fler släpper de alla ut molekylen i omgivningen så att det är en massa molekyler där. Bakterierna har även en receptor på cellytan som passar som ett lås och nyckel med just den molekylen. De här är precis som receptorerna på ytan av dina celler. När molekylerna ökat till ett visst antal - vilket säger något om antalet celler - så passar den in i receptorn och informationen når cellerna som talar om för dem att slå på det här kollektiva beteendet att producera ljus.

Det här är intressant - för under det senaste decenniet har vi upptäckt att detta inte är någon abnormitet för den här lustiga, självlysande bakterien som lever i haven. Alla bakterier har system som detta. Så vad vi nu förstått är att alla bakterier talar med varandra. De gör kemiska ord, de känner igen dessa ord och de slår på kollektiva beteenden som bara är framgångsrika om de alla gör det tillsammans. Vi har ett flott namn på det här, vi kallar det "Quorum Sensing". De röstar med dessa kemiska röster, rösterna räknas, och så agerar alla efter utslaget.

Det som är viktigt med dagens tal är att vi vet att det finns hundratals beteenden som bakterier utför kollektivt. Men den som troligen är viktigast för dig är extrem aggressivitet. Det är inte så att ett par bakterier kommer in i dig och börjar utsöndra gifter - du är enorm, det skulle inte ha någon effekt på dig. Vad de gör, förstår vi nu, är att de kommer in i dig, de väntar, de börjar växa i antal, de räknar sig själva med dessa små molekyler. Och de känner att när de uppnått det rätta antalet och om alla bakterier gör en aggressiva attack tillsammans så kommer de lyckas slå ut en enorm värd. Bakterier kontrollerar alltid sin sjukdomsalstrande förmåga med quorum sensing. Det är så det fungerar.

Vi ville ta reda på hur dessa molekyler är uppbyggda - alltså de röda trianglarna i mina tidigare bilder. Det här är Vibrio fischeri-molekylen. Det här är ordet den talar med. Sen började vi titta på andra bakterier och det här är bara för att ge er ett hum av de molekyler vi har upptäckt Det jag hoppas att ni kan se är att molekylerna är besläktade. Den vänstra delen av molekylen är identisk hos varje sorts bakterie. Men den högra delen av molekylen är lite annorlunda för varje art. Vad det innebär är att varje sorts bakterie har ett eget språk som är extremt artspecifikt. Varje molekyl passar in i avsedd receptor och inte i någon annan. Så det här är privata, hemliga konversationer. Dessa konversationer är avsedda endast för kommunikation inom arten. Varje bakterie använder en specifik molekyl som sitt språk, för att räkna sina syskon.

När vi väl kommit så långt trodde vi att vi började förstå att bakterier har sociala beteenden. Men vad vi verkligen funderade på var att för det mesta lever inte bakterier för sig själva utan i otroliga blandningar med hundratusentals andra sorters bakterier. Och det är avbildat här. Det här är din hud. Så det här är inget annat än en bild tagen genom ett mikroskop av din hud. Var som helst på din kropp så ser det ungefär ut så här, och vad jag hoppas att du kan se är att det finns alla möjliga bakterier där. Så började vi fundera, om det här handlar om kommunikation mellan bakterier och det handlar om att kontakta grannarna, så räcker det inte att kunna prata med dem av din egen sort. Det måste finnas ett sätt att genomföra en "folkräkning" av resten av bakterierna i populationen.

Så vi återvände till molekylärbiologin och började studera olika bakterier, och vad vi nu upptäckte var att bakterier faktiskt är flerspråkiga. Alla har ett artspecifikt system - de har en molekyl som säger "jag". Men parallellt med detta upptäckte vi finns ett andra system ett andra system, som är gemensamt. Så de har ett annat enzym som skickar ut en andra signal och den har sin egen receptor, Den här molekylen utgör bakteriernas fackspråk och används av alla sorters bakterier. Den utgör språket för kommunikation mellan arterna. Vad som händer är att bakterierna kan räkna hur många det finns av "mig" och av "dig". De tar in informationen och beslutar vilken uppgift de ska utföra beroende på vem som är i minoritet respektive majoritet av populationerna.

Så, vi vände oss till kemin igen och listade ut vilken den allmänna molekylen är - det var den rosa ovalen i min förra bild. Här är den. Det är en mycket liten molekyl med fem kolatomer. Det viktiga vi lärt oss är att alla bakterier har exakt samma enzym och producerar exakt samma molekyl. Så alla använder den här molekylen för kommunikation mellan arterna. Det är esperanto för bakterier.

(Skratt)

När vi väl kommit så långt började vi inse att bakterier kan samtala med det här kemiska språket. Men vad vi började tänka var att det kanske finns något användbart vi kan göra med det. Jag har sagt att bakterier har en massa sociala beteenden, de kommunicerar med de här molekylerna. Jag har också berättat att en av de viktiga sakerna de gör är att alstra sjukdomar genom quorum sensing. Vi tänkte - vad skulle hända om vi gjorde så att bakterierna inte kan tala eller höra? Skulle inte det kunna utgöra en ny typ av antibiotika?

Självklart så vet du att antibiotika håller på att förlora effekten. Bakterier är otroligt multiresistenta nuförtiden. Det beror på att all antibiotika vi använder dödar bakterier. Antingen spränger de bakteriens cellmembran eller gör så att bakterien inte kan reproducera sitt DNA. Vi dödar bakterier med traditionell antibiotika och det gynnar resistenta mutanter. Så nu har vi ett globalt problem med infektionssjukdomar. Så vi tänkte - vad skulle hända om vi kunde göra beteendeförändringar, bara så att bakterierna inte kan tala eller räkna så de inte kan sätta igång sina aggressiva attacker.

Och det är precis vad vi gjort och vi har valt två strategier. Med den första har vi riktat in oss på är det artspecifika kommunikationssystemet. Vi har tillverkat molekyler som ser ungefär ut som de riktiga - som du såg - men som är aningen annorlunda. De låser fast sig i receptorerna, och hindrar igenkännande av de riktiga. Genom att rikta in oss på det röda systemet, kan vi skapa art- eller sjukdomsspecifika molekyler som hämmar bakteriernas kommunikation. Vi har också gjort detsamma med det rosa systemet. Vi har tagit den universella molekylen och gjort om den lite så att vi skapat antagonister som blockerar kommunikationen mellan olika arter. Förhoppningen är att dessa ska kunna användas som bredspektrumantibiotika och fungera mot alla typer av bakterier.

För att avsluta låt mig bara visa strategin. Här använder jag bara molekylen för kommunikation mellan arter men logiken är exakt densamma. Vad ni vet är att när bakterien kommer in i djuret, i det här fallet en mus, så sätter den inte igång sin attack omedelbart. Den kommer in, den börja växa i antal, den börjar avsöndra sina kommunikationsmolekyler, den känner när det finns tillräckligt med bakterier för att inleda attacken och djuret dör. Vad vi har lyckats med är att ge dessa smittsamma infektioner tillsammans med våra kommunikationshämmande molekyler som ser ut ungefär som den äkta varan men är lite annorlunda, vilket jag visar här. Vad vi nu vet är att om vi smittar djuret med en multiresistent sjukdomsalstrande bakterie och på samma gång tillför vår syntetiska molekyl, så överlever djuret faktiskt.

Vi tror att detta är nästa generation av antibiotika och att vi, åtminstone till en början, kommer runt det stora problemet med resistens. Jag hoppas du kan föreställa dig att bakterier kommunicerar, att de använder kemikalier som ord, och att de har ett otroligt komplicerat kemiskt lexikon som vi precis har börjat förstå. Vad detta innebär är att bakterier kan vara multicellulär. Så i sann TED-anda gör de saker tillsammans för när man gör det - då händer det grejor! Vad som sker är att bakterier har kollektiva beteenden och kan utföra saker som de aldrig skulle klara av på egen hand.

Jag skulle vilja påstå att detta är grunden till multicelluläritet. Bakterier har funnits på jorden i miljarder år. Människan - i ett par hundra tusen. Vi tror att bakterier skapade regelverket för hur multicellulär organisation fungerar. Efter att ha studerat bakterier tror vi att vi kommer få insikt i hur multicelluläritet fungerar i människokroppen. Vi vet att om vi kan lista ut principerna och reglerna, för dessa primitiva organismer, så är förhoppningen att de kan tillämpas även på andra mänskliga sjukdomar och beteenden. Jag hoppas att du lärt dig att bakterier kan skilja på sig själva och andra. Med hjälp av dessa två molekyler kan de säga "jag" och "du". Men det är klart, det är vad vi gör, både på ett molekylärt sätt och på ett yttre. Men jag tänker på det molekylära.

Det här är precis vad som händer i din kropp. Det är ju inte så att dina celler i hjärtat och njurar blandar i hop sig, och det beror på all den här kemin. De här molekylerna som säger vilka grupper cellerna tillhör och vilka uppgifter de har. Återigen så tror vi att bakterierna uppfann det, och att du bara utvecklat lite fler finesser sedan dess men att grunden till allt detta ligger i dessa enkla system.

Slutligen, bara för att upprepa att det finns en praktisk tillämpning, så har vi skapat de här kommunikationshämmande molekylerna som håller på att utvecklas till en ny form av medicin. För att avsluta med lite reklam för alla goda bakterier som finns på jorden, har vi också skapat molekyler som förstärker kommunikationen mellan bakterier. Här har vi fokuserat på de system som får molekylerna att fungera bättre. Kom i håg att du har mer än tio gånger fler bakterier i dig, eller på dig som håller dig välmående. Vi försöker också förstärka konversationen mellan bakterierna som samexisterar med dig, i förhoppning att göra dig friskare, och underlätta konversationen, och på så sätt få bakterier att utföra saker vi vill få dem att göra bättre än de skulle klara av på egen hand.

Slutligen vill jag visa er, det här är mitt gäng på Princeton i New Jersey. Allt jag har berättat om har upptäckts av någon i bilden. Jag hoppas att när ni hör saker, om hur naturen fungerar - eller när ni läser något i tidningen eller hör något knasigt om naturen så är det en upptäckt gjord av ett barn. Vetenskap skapas av den delen av befolkningen. Alla på bilden är mellan 20 och 30 år, och det är de som är motorn som driver forskningen i det här landet. Man ska skatta sig lycklig att få jobba med den här åldersgruppen. Jag blir bara äldre men de, de är alltid i samma ålder, och det är ett galet härligt jobb. Jag vill tacka för att ni bjöd hit mig, det är en stor glädje för mig att få komma till konferensen!

(Applåder)

Tack!

(Applåder)