Бонни Басслер о том, как общаются бактерии

В нас с Вами содержится в 10 раз больше бактериальных клеток, чем собственных клеток организма, то же самое касается и генетического материала. На долю бактерий нашего тела приходится в 100 раз больше генов, чем на долю клеток нашего многоклеточного организма. Проще говоря, мы с вами являемся большими бактериальными колониальными организмами. Об этом не раз говорил на своих увлекательных лекциях известный российский учёный, профессор кафедры биофизики физического факультета МГУ Симон Эльевич Шноль.

Бактерии это древнейшие живые организмы на Земле. Они существовали миллиарды лет и представляют собой микроскопические одноклеточные организмы. Итак, они состоят из одной клетки и у них есть особенность - это гаплоидный (одинарный) набор хромосом. 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, делятся 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 (люди) 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 времени вашей жизни. Итак, бактериальных клеток в 10 раз больше, чем человеческих клеток в одном организме человека. То же самое касается и ДНК. У вас около 30000 генов. Но оказывается, что на долю бактерий, живущих в вашем теле, приходится в 100 раз больше генов. В лучшем случае вы только на 10% человек, (но наиболее вероятнее вы всего только на 1% являетесь человеком), а на остальные 90% (99 %) вы бактерия!

(Смех)

Эти бактерии не пассивные участники, они необычайно важны. Они поддерживают нашу жизнедеятельность. Они покрывают нас невидимыми доспехами, которые сдерживают разного рода атаки из окружающей среды, в результате чего мы остаемся здоровыми. Они переваривают нашу пищу и производят витамины. Они обучают нашу иммунную систему противостоять вредным микробам. Итак, они делают много удивительных вещей, которые помогают нам и являются жизненно необходимыми, но никто не думает об этом. О бактериях вспоминают тогда, когда они делают что-нибудь плохое. На Земле существует множество видов бактерий, которые не должны находиться внутри вашего организма. В противном случае вы заболеете.

Поэтому вопрос для моей лаборатории заключался 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, не взаимодействующими друг с другом. На первый взгляд нам показалось, что они слишком малы, чтобы влиять на окружающую среду, если они функционируют просто, как одиночные организмы. Поэтому мы решили подумать над тем, существует ли другой способ взаимодействия между бактериями.

Мы получили ключ к разгадке от морской бактерии. Эта бактерия называется Вибрио фишери. На этом слайде вы видите сотрудника моей лаборатории, который держит колбу с водной культурой бактерии, безобидной красивой бактерии, которая живет в океане и называется Вибрио фишери. У этой бактерии есть особенное свойство. Она светится, обладает способностью к биолюминесценции. Аналогичной способностью обладают светлячки. Мы ничего не делаем с бактериальными клетками в данном случае. Мы просто сделали фото, выключив свет в комнате, и вот то, что мы увидели.

Нас интересовало не то, что бактерии светились, а то, когда они светились. Мы заметили, что когда бактерии в малом количестве, они не светятся. Но когда они размножатся до определенной численности, все бактерии одновременно начинают светиться. Первый вопрос у нас возник следующий. Как бактерии, эти примитивные организмы, узнают, что они находятся в одиночестве или их много. Мы выяснили, что они осознают этот факт, в результате общения друг с другом при помощи языка химии.

Когда эта бактерия в одиночестве и не светится, она выделяет в окружающую среду небольшие молекулы - гормоны. Вот эти красные треугольники. Когда бактерия одна, эти молекулы просто уплывают, поэтому и нет никакого свечения. Но когда бактерии растут и размножаются, все они участвуют в секреции этих гормональных молекул, количество которых становится пропорционально количеству бактериальных клеток. Когда концентрация молекул достигают определенного значения, это информирует бактерий о том, сколько у них соседей. Они интерпретируют эту информацию и синхронно включают свечение. Это пример того, как происходит биолюминесценция, как они "разговаривают" друг с другом, используя химические "слова".

И снова про животных океана. Вибрио фишери живет в этом кальмаре. Вы видите Гавайского короткохвостого кальмара, когда перевернули его на спину. Вы видите две светящиеся доли, которые являются домом для клеток Вибрио фишери. Они живут там и при большой концентрации гормона светятся. Причина, по которой кальмар согласен мириться с этой ерундой, в том, что ему нужен этот свет. Симбиотические отношения заключается в следующем. Этот маленький кальмар живет в прибрежных Гавайских мелководьях. Кальмар ведет ночной образ жизни, поэтому днем он закапывается в песок и спит, а ночью выходит на охоту. В светлые ночи, лунный свет легко проникает на глубину, где живёт кальмар. У кальмара есть пластины, которые открывают и закрывают специализированный световой орган, в котором живут бактерии. Кроме того у него есть светочувствительные рецепторы на спине, с помощью которых он чувствует, насколько много лунного света достигает его спины. В зависимости от этого он открывает и закрывает пластины, так что количество, производимого бактериями света, льющегося снизу точно соответствует количеству света, попадающего на спину кальмара. В результате кальмар не оставляет тени. Он использует свечение бактерий, чтобы направить свет ко дну, чтобы защититься от хищников (хищники не видят его тени, не могут просчитать его траекторию движения и съесть его). Он как самолет-невидимка океана.

(Смех)

Периодический кальмар сталкивается с проблемой избавления от большого количества умирающих бактерий. Каждое утро, когда восходит солнце, кальмар отправляется спать, закапываясь в песок. Биологический "насос" кальмара, связанный с его циркадным ритмом, после восхода солнца выкачивает около 95 процентов бактерий. Теперь бактерии разбавлены, а низкая концентрация бактериальных гормонов "выключает освещение". В течение дня численность бактерий удваивается, концентрация бактериальных гормонов увеличивается, и к ночи "освещение включается".

Сначала мы выяснили, как бактерия делает это, но затем мы применили знания молекулярной биологии, чтобы понять механизм. И мы установили, что у Вибрио фишери есть белок (вот этот красный прямоугольник). Этот белок является ферментом, который запускает выработку молекулу-гормонов (красный треугольник). Также у бактерий на поверхности мембраны есть рецептор, к которому молекула-гормон подходит, как ключ к замку. Они точно такие же, как и рецепторы на поверхности клеток вашего тела. Когда концентрация молекул-гормонов в среде увеличивается и многие из них достигают бактериальных рецепторов, то это является знаком для бактерий к "включению освещения".

Самое интересное то, что за последние десятилетия мы установили, что 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 тогда, когда все клетки действуют в согласии. У нас есть занятная аналогия этого процесса. Мы называем это бактериальным чувством кворума. Бактерии голосуют при помощи своих химических "слов", голоса подсчитываются, и каждая бактериальная клетка отвечает на результат голосования.

Самое важное то, что мы установили сотни действий, которые бактерии выполняют сообща. Но есть одно, вероятно, наиболее важное для вас, это вирулентность. Если пара бактерий попадает внутрь вас и начинает выделять токсины, то это не окажет на вас никакого эффекта, так как Вы огромны. Теперь мы понимаем то, что они делают. Попадая в ваш организм они выжидают, затем начинают многократно делится. Они пересчитывают с помощью "химических слов" друг друга и когда узнают, что их достаточное количество для атаки, они сообща атакуют. Так они способны справиться с огромным организмом хозяина.

Мы решили выяснить строение этих молекул - "химических слов" (красные треугольники на предыдущих слайдах). Это молекула Вибрио фишери. Это "слово", с помощью которого бактерии "общаются". Мы стали рассматривать другие бактерии. В результате мы обнаружили, что молекулы многих бактерий близки. Левые части молекул идентичны для каждого вида бактерий. В то время, как правые части молекул специфичны для каждого вида бактерий. Это придает тонкие видовые различия "языкам" различных видов бактерий. Каждая молекула подходит только рецептору своего партнера и никому другому. Поэтому это личные, тайные разговоры бактерий. Эти разговоры для общения внутри вида. Каждая бактерия использует определенную молекулу, которая является её языком, что позволяет провести "перекличку" своих братьев.

Продвинувшись в ходе своих исследований так далеко, мы стали понимать, что у бактерий есть социальное поведение. Бактерии не живут одиночно, они живут в сообществе с сотнями или тысячами других видов бактерий. И это изображено на слайде. Это микросъёмка участка вашей кожи. Везде на вашем теле кожа выглядит почти одинаково. Она населена различными видами бактерий. К нам пришла следующая мысль, что для бактерий недостаточно иметь возможность общаться только в пределах своего вида. Кроме того, должен существовать способ подсчета численности и бактерий другого вида.

Итак, мы вернулись к молекулярной биологии, стали изучать другие бактерии. Вскоре мы обнаружили, что в действительности бактерии многоязычны. У всех них есть специфичная для каждого вида система: в ней есть молекула, которая говорит "я". Вместе с ней была обнаружена и вторая система - универсальная. Итак, у бактерий есть второй фермент, который производит второй сигнал и имеет свой рецептор. Эта молекула является языком межвидовой "торговли" бактерий. Он используется всеми бактериями, и это язык общения между всеми видами. В результате бактерия способна подсчитать, сколько "нас" и сколько "вас". Они получают эту информацию и решают, какие задания выполнять, в зависимости от того, кто в меньшинстве, а кто в большинстве.

Снова вернёмся к химии. Мы установили, что представляет из себя эта универсальная молекула межвидового бактериального общения (розовые овалы на последнем слайде). Это очень маленькая пяти углеродная молекула. У каждой бактерии вырабатывается идентичный фермент и производится точно такая же молекула. Поэтому все бактерии используют эту молекулу для общения между видами. Это эсперанто бактерий.

(Смех)

Преуспев в этом, мы стали понимать, что бактерии могут разговаривать друг с другом этим химическим языком, а значит, это может быть использовано нами практически. Я уже сказала, что у бактерий есть элементы социального поведения, они общаются с помощью этих молекул. И как я тоже уже сказала, одна из важных вещей, которые они делают сообща, это инициируют патогенность, используя чувство кворума. Мы подумали о том, что будет, если мы сделаем что-нибудь с бактериями, в результате чего они не смогут говорить или слышать. Может, это могли бы быть антибиотики нового поколения?

Конечно, вы уже слышали и знаете, что у нас недостаточно антибиотиков. Сейчас бактерии необычайно стойкие ко многим лекарствам, и все потому что главной целью всех наших антибиотиков, является убийство бактерий. Они либо разрывают мембрану бактерии, либо не позволяют бактериям воспроизвести свою ДНК. Мы убиваем бактерии традиционными антибиотиками и это порождает появление стойких мутантов. Именно поэтому сейчас мы имеем глобальную проблему с инфекционными болезнями. Мы решили вызвать изменения достаточные, чтобы бактерии не могли говорить и считать. Для этого мы решили использовать две стратегии. Первая заключается в том, что мы нацелились на систему общения внутри вида. Мы создали молекулы, которые выглядят, как настоящие, за исключением небольших различий. 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 в результате 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, сигнализирующие о кворуме. Она ждёт, пока количество бактерий не будет достаточны для атаки. Только так можно справиться с иммунной системой животного. Нам удалось передать эти вирулентные инфекции, но мы передавали их вместе с молекулами антикворума. Эти молекулы выглядят, как настоящие, но они немного отличаются, что я и показала на слайде. Нам теперь известно, что если мы передадим животному стойкие ко многим лекарствам патогенные бактерии, вместе с молекулами антикворума, то животное продолжит жить.

Мы считаем, что это новое поколение антибиотиков позволит решить большую проблему устойчивости болезнетворных бактерий к антибиотикам. 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. Это позволяет бактериям быть единой многоклеточной системой. Бактерии демонстрируют элементы коллективного поведения, и они могут выполнять задания, которые им никогда не выполнить, если бы они действовали по отдельности.

Я надеюсь, что смогла бы убедить вас в том, что это можно назвать открытием многоклеточности в мире бактерий. Бактерии жили на Земле миллиарды лет. Люди - пару сотен тысяч лет. Мы думаем, что именно в первичном мире бактерий появились правила, которые легли в основу функционирования многоклеточных систем. Мы считаем, что изучая бактерии, мы сможем постичь многоклеточность человеческого тела. Мы знаем, что если мы сможем понять законы и правила в жизни этих примитивных организмов, то 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".

Именно это происходит и в вашем теле. Клетки вашего сердца или почек точно знают к какой группе клеток они принадлежат и каковы их задачи. Мы думаем, что эта способность появилась ещё в мире бактерий. Вы просто более развиты, но все зачатки этих механизмов существуют в этих простых системах, которые мы изучаем.

И наконец снова хочу повторить, что не за горами практическое применение наших исследований. Мы создали эти молекулы антикворума, они могут быть использованы, как новый вид терапии. И чтобы закончить, рекламирую всех хороших и волшебных бактерий, живущих на Земле. Мы также создали молекулы, поддерживающие чувство кворума. Мы заставили бактериальные молекулы работать лучше, когда это необходимо. Вы помните, внутри или на вас обитает количество бактерий в 10 раз превышающее численность ваших собственных клеток. Эти бактерии поддерживают ваше здоровье. Мы пытаемся усилить общение бактерий, которые живут во взаимовыгодном симбиозе с вами, надеясь сделать вас здоровее. В результате улучшения этого общения, бактерии совершают нужные нам действия эффективнее, чем если бы они их совершали самостоятельно.