Bonnie Bassler: Kiel bakterioj “interparolas”

Bakterioj estas la plej malnovaj vivantaj organismoj sur la tero. Ili estas ĉi tie jam miliardojn da jaroj, kaj ili estas unuĉelaj mikroskopaj organismoj. Ili do konsistas el unu ĉelo, kaj ili havas la specialan econ . . . posedi nur unu pecon da DNA. Ili havas malmultegajn genojn kaj genetikajn informojn por kodigi ĉiujn aferojn, kiujn ili efektivigas. Kaj la maniero, laŭ kiu bakterioj vivas, estas, ke ili konsumas nutraĵojn el la medio, ili kreskas ĝis duobla grando, ili mez-akse distranĉiĝas, kaj unu ĉelo fariĝas du, kaj tiel plu, kaj tiel plu. Ili nur kreskas kaj dividiĝas, kaj kreskas kaj dividiĝas, do ia enua vivo, escepte de tio, laŭ mia argumento, ke vi havas mirigan interrilaton kun tiuj estaĵoj.

Mi scias, ke vi konsideras vin kiel homojn, kaj mi konsideras vin iom tiel. Ĉi tiu figuro celas reprezenti mezan homan estaĵon, kaj la cirkletoj tie estas ĉiuj ĉeloj, kiuj konsistigas la korpon. Estas proksimume duiliono da homaj ĉeloj en ĉiu el ni, kreante nian identon kaj kapablon, sed estas aldone 10 duilionoj da bakteriaj ĉeloj en aŭ sur ni je ĉiu momento de la vivo. Do 10-oble pli da bakteriaj ĉeloj ol homaj ĉeloj ĉe homa estaĵo. Kaj kompreneble estas la DNA, kiu gravas, do jen ĉiuj A, T, G kaj C, kiuj konsistigas vian genetikan kodon kaj ĉiujn viajn ĉarmajn karakterizaĵojn. Vi havas proksimume 30 000 genojn. Nu, montriĝis, ke vi havas 100-oble pli da bakteriaj genoj ludantaj rolon en aŭ sur vi dum via tuta vivo. Vi maksimume estas dek-procente homa, sed pli probable proksimume unu-procente homa,depende de la mezurilo kiun vi preferas. Mi scias, ke vi pensas pri vi, kiel pri homaj estaĵoj,sed mi pensas pri vi, kiel pri 90- aŭ 99-procente bakteriaj.

Tiuj bakterioj ne estas pasivaj kunuloj, ili estas nekredeble gravaj por teni nin vivantaj. Ili kovras nin kiel nevidebla korpa kiraso, kiu fortenas ekologiajn minacojn, por ke ni restu sanaj. Ili digestas niajn manĝitaĵojn, faras niajn vitaminojn, ili efektive edukas nian imunsistemon por forteni malbonajn mikrobojn. Do ili faras ĉiujn tiujn mirindajn aferojn, kiuj helpas nin kaj estas nemalhaveblaj por teni nin vivantaj, kaj ili neniam ricevas ies atenton pro tio. Sed ili akiras grandan atenton pro la multaj teruraj aferoj, kiujn ili ankaŭ faras. Estas ĉiaspecaj bakterioj sur la tero, kiuj neniam ajn okupiĝu en aŭ sur vi, kaj se ili ja estas tie, ili igas vin nekredeble malsanaj.

Kaj do, la demando por mia laboratorio estas, ĉu vi volas pripensi pri ĉiuj bonaĵoj, kiujn bakterioj faras, aŭ pri ĉiuj malbonaĵoj kiujn ili faras. Ni al ni demandis, kiel ili povas fari ion ajn. Mi volas diri, ke ili nekredeble tiom estas, ke oni bezonas mikroskopon por vidi iun. Ili vivas tian enuan vivon, kie ili kreskas kaj dividiĝas, kaj ili ĉiam estis konsiderataj kiel tiuj malsocialaj malsociemaj organismoj. Kaj tiel ŝajnis al ni, ke ili estas nepre tro malgrandaj por efiki en la medio, se ili simple agas individue. Kaj ni do volis pripensi, ĉu povas esti alia maniero, laŭ kiu bakterioj vivas.

La spuro al tio venis de iu mara bakterio nomata “Vibrio fischeri”. Tio, al kio vi rigardas en ĉi tiu bildo, estas nur persono de mia laboratorio, tenanta botelon kun likva kulturo de bakterio, sendanĝera bela oceana bakterio, nomata “Vibrio fischeri”. Tiu bakterio havas la specialan kapablon lumi, do ĝi biolumineskas, kiel lumas lampiroj. Ni ne faras ion ajn al ĉi tiuj ĉeloj. Ni nur fotis malŝaltinte la lumon en la ĉambro, kaj jen tio, kion ni vidas.

Interesis nin, ne la fakto ke la bakterioj lumas, sed ja kiam la bakterioj lumas. Ni rimarkis, ke kiam la bakterioj solis, do kiam ili estis en malkoncentrita suspensaĵo, ili ne lumis. Sed kiam ilia ĉelnombro kreskis ĝis iu valoro, ĉiuj bakterioj samtempe eklumis. Nia demando estis, kiel bakterioj, tiuj primitivaj organismoj, kapablas distingi momenton, kiam ili estas solaj, disde momento, kiam ili estas en komunumo, por tiam kune fari ion. Ni malkovris, ke la maniero, laŭ kiu ili faras tion, estas ke ili parolas unu al la alia, kaj ili parolas per kemia lingvo.

Jen mia supozata bakteria ĉelo. Kiam ĝi estas sola, ĝi faras neniom da lumo. Sed ĝi ja produktas kaj sekrecias malgrandajn molekulojn, kiujn vi povas imagi kiel hormonojn, kaj tiuj estas la ruĝaj trianguloj, kaj kiam la bakterio solas, la molekuloj nur forflosas, do neniu lumo. Sed kiam la bakterioj plinombriĝas kaj duobliĝas kaj ĉiuj kune produktas tiujn molekulojn, la molekuloj — la eksterĉela kvanto de tiu molekulo — pliiĝas proporcie kun la ĉela nombro. Kaj kiam la molekuloj atingas certan kvanton, kiu sciigas al la bakterioj, kiom estas da najbaroj, ili rekonas tiun molekulon kaj ĉiuj bakterioj samtempe eklumas. Jen kiel bioluminesko funkcias — ili interparolas per tiuj kemiaj vortoj.

La kialo, pro kiu “Vibrio fischeri” faras tion, venas el la biologio. Ankoraŭ pri la bestoj en la oceano . . . “Vibrio fischeri” vivas en speco de kalmaro. Jen havaja kalmaro “Euprymna scolopes”, surdorsigita, kaj mi esperas, ke vi vidas ĉi tiujn du brilajn lobojn, kiuj gastigas la ĉelojn de “Vibrio fischeri”, kiuj loĝas tie, ĉe alta ĉelnombro. La molekuloj tieas grandnombre, kaj ili lumas. La kalmaro toleras tiujn petolulojn,ĉar ĝi volas tiun lumon. La simbiozo funkcias jene: tiu malgranda kalmaro vivas tuj apud la havaja marbordo nur en ĝisgenuaj akvejoj. La kalmaro estas noktulo, do tage ĝi kaŝiĝas sub la sablon kaj dormas, sed nokte ĝi aperas por ĉasi. Dum helaj noktoj, kiam estas multe da stela aŭ luna lumo, tiu lumo povas penetri en la profundon de la akvo, en kiu la kalmaro vivas, ĉar ĝi profundas eble nur duonmetron. La kalmaro evoluigis ŝutron, kiun ĝi povas fermi kaj malfermi super tiu speciala lumorgano gastiganta la bakteriojn. Krome ĝi havas sensojn sur sia dorso por sensi, kiom da stela aŭ luna lumo trafas sian dorson. Kaj ĝi fermas kaj malfermas la ŝutron tiel, ke la kvanto da lumo el la malsupro — farita de la bakterioj — precize egalas al la lumkvanto, kiu trafas la dorson de la kalmaro, tiel ke la kalmaro ne faras ombron. Ĝi fakte uzas la lumon de la bakterioj por kontraŭlumigi sin, per kontraŭpredada aparato, por ke predantoj ne povu vidi ĝian ombron, kalkuli ĝian trajektorion, kaj manĝi ĝin. Ĝi estas kvazaŭ la radarimuna bombavio de la oceano.

Tamen, se vi pripensas tion, la kalmaro havas teruran problemon, ĉar ĝi havas mortantan, dikan bakteri-kultivejon kaj ĝi ne povas konservi tion. Jen kio okazas: ĉiumatene je sunleviĝo la kalmaro revenas por dormi, ĝi kaŝiĝas sub la sablon, kaj per pumpilo ligita al sia tagnokta ritmo, kiam la suno leviĝas, ĝi forpumpas proksimume 95 procentojn de la bakterioj. Nun post tiu malkoncentriĝo de la bakterioj, la eta hormona molekulo malaperas, do la bakterioj ne lumas, sed kompreneble la kalmaro ne maltrankviliĝas. Ĝi dormas en la sablo. Kaj dum la daŭro de la tago, pro la bakteria duobliĝo . . . ili eligas la molekulon, kaj eklumas nokte, precize kiam la kalmaro volas.

Unue ni montris, kiel tiu bakterio faras tion, sed poste ni ekuzis la ilojn de molekula biologio por vere kompreni la mekanismon. Kaj ni trovis (ĉi tio denove estu mia bakteria ĉelo) ke “Vibrio fischeri” posedas proteinon, (la ruĝa skatolo) enzimon kiu faras . . . tiun etan hormonan molekulon (la ruĝa triangulo). Kaj poste, dum la ĉeloj kreskas, ili ĉiuj liberigas tiun molekulon en la medion, do tie multas la molekuloj. Kaj la bakterio havas sur sia ĉelsurfaco ankaŭ ingon, kiu estas kiel seruro, kies ŝlosilo estas tiu molekulo. Ili estas kiel la ingoj sur la surfacoj de viaj ĉeloj. Kiam la molekulo atingas certan kvanton, kiu signifas ion pri la nombro de la ĉeloj, tiam ĝi enadaptiĝas en tiun ingon kaj informo eniras la ĉelojn igante la ĉelojn ŝalti tiun kolektivan konduton lumi.

Tio estas interesa, ĉar en la pasinta jardeko ni trovis, ke tio ne estas nur iu anomalio de tiu stranga brilanta bakterio kiu vivas en la oceano. Male, ĉiuj bakterioj havas tiajn sistemojn. Laŭ nia nuna kompreno, ĉiuj bakterioj kapablas interparoli. Ili faras kemiajn vortojn, ili rekonas tiujn vortojn, kaj ili ŝaltas grupajn kondutojn, kiuj nur sukcesas, se ĉiuj ĉeloj konkorde partoprenas. Estas aparta nomo por tio, oni nomas ĝin kvorumsensado. Ili voĉdonas per tiuj kemiaj voĉoj, la voĉoj estas kalkulataj, kaj sekve ĉiuj respondas la voĉdonadon.

Gravas por la nuna prelego scii, ke estas centoj da kondutoj, kiujn bakterioj efektivigas laŭ tiuj kolektivaj manieroj. Sed verŝajne la plej grava por vi estas veneneco. Ne estas tiel, ke kelkaj bakterioj eniras vin kaj eksekrecias iun venenon; vi estas grandega, tio neniom efikus en vi. Vi gigantas. Ni nun komprenas, ke ili eniras vin, atendas, ekkreskas, nombras sin per tiuj malgrandaj molekuloj, kaj scias, ke kiam ili atingas la taŭgan ĉelnombron, se ĉiuj bakterioj kune lanĉas sian venenatakon, tiam ili sukcese venkos grandegan gastiganton.Bakterioj ĉiam regas malsanigecon per kvorumsensado. Tiel ili laboras.

Ni ankaŭ esploris, pri kiuj estas tiuj molekuloj, kiuj estas la ruĝaj trianguloj en miaj antaŭaj bildoj. Jen la molekulo de “Vibrio fischeri”. Jen la vorto, per kiu ĝi interparolas. Tiam, ni ekrigardis al aliaj bakterioj, kaj jen nur kelkaj el la molekuloj, kiujn ni malkovris. Mi esperas, ke vi vidu, ke la molekuloj interrilatiĝas. La maldekstra parto de la molekulo estas identa ĉe ĉiu aparta specio de bakterioj. Sed la dekstra parto de la molekulo iomete malsamas ĉe ĉiu aparta specio. Ĝi atribuas speci-specifojn al tiuj lingvoj. Ĉiu molekulo enadaptiĝas en sian partneran ingon kaj en neniun alian. Do tiuj konversacioj estas privataj, sekretaj. Tiuj konversacioj estas por komunikado ene de specio. Ĉiu bakterio uzas apartan molekulon, kiu estas ĝia lingvo, ebligante al ĝi nombri siajn proprajn samspeciulojn.

Tiam alveninte tie, ni pensis ke ni ekkomprenis ke bakterioj havas tiujn sociajn kondutojn. Sed ni fakte pensis, ke plejofte bakterioj ne vivas solaj, ili vivas en nekredeblaj miksaĵoj, kun centoj aŭ miloj da aliaj bakterispecioj. Kaj tio estas prezentata sur ĉi tiu bildo. Ĉi tio estas via haŭto. Estas nur bildo, mikrofotografaĵo de via haŭto. Ĉie ajn sur via korpo aspektas pli-malpli kiel ĉi tiu, kaj mi esperas, ke vi vidu, ke tie estas ĉiuspecaj bakterioj. Kaj sekve ni ekpensis, ke se vere temas pri komunikado inter bakterioj, kaj pri nombrado de la najbaroj, ne sufiĉas povi paroli nur ene de sia propra specio. Devas ekzisti maniero sensi la ceterajn bakteriojn en la populacio.

Tial ni revenis al molekula biologio kaj ekesploris malsamajn bakteriojn, kaj ni trovis, ke bakterioj fakte estas plurlingvaj. Ĉiuj havas specispecifan sistemon, ili havas molekulon, kiu diras “mi”. Sed paralele al tio, estas dua sistemo, kiun ni malkovris, kiu estas komuna. Ili do havas duan enzimon, kiu faras duan signalon, kaj tiu havas sian propran ingon, kaj tiu molekulo estas la interlingvo de bakterioj. Ĝi estas uzata de ĉiuj malsamaj bakterioj kaj ĝi estas la lingvo por interspecia komunikado. Bakterioj do kapablas nombri kiom da “mi”, kaj kiom da “vi”. Ili prenas tiun informon enen, kaj ili decidas, kiuj taskoj efektivigendas depende de kiuj estas en la plimulto kaj kiuj en la malplimulto de koncerna populacio.

Nu tiam, ni denove turniĝis al la kemio, kaj ni eltrovis, kiu estas tiu komuna molekulo.Temas pri la rozkoloraj ovaloj en mia lasta bildo, jen ĝi. Ĝi estas tre malgranda kvinkarbona molekulo. Ni lernis la gravan aferon, ke ĉiu bakterio havas precize la saman enzimon kaj faras precize la saman molekulon. Ili do ĉiuj uzas tiun molekulon por interspecia komunikado. Tio estas la bakteria Esperanto.

Atinginte tiun scion, ni eklernis, ke bakterioj kapablas paroli unu al la alia per tiu kemia lingvo. Sed ni ekpensis, ke eble estas io praktika, kion ni ankaŭ povas fari ĉi tie. Mi rakontis al vi, ke bakterioj efektive havas ĉiujn ĉi sociajn kondutojn, ili komunikadas per tiuj molekuloj. Kompreneble, mi ankaŭ rakontis al vi, ke unu el la gravaj aferoj, kiujn ili faras, estas iniciati malsanigon uzante kvorumsensadon. Ni pensis pri kio okazus, se ni farus al tiuj bakterioj ke ili ne kapablu paroli aŭ aŭdi. Ĉu tiel povus esti novaj specoj de antibiotikoj?

Kompreneble, vi ĵus aŭdis kaj jam scias, ke ni elĉerpadas nian provizon da antibiotikoj. Bakterioj iĝis nun nekredeble imunaj al multaj medikamentoj, pro tio, ke ĉiuj antibiotikoj, kiujn ni uzas, mortigas bakteriojn. Ili krevigas la bakterian membranon, ili faras la bakterion tia, ke ĝi ne povas reprodukti sian DNA-on. Ni mortigas bakteriojn per tradiciaj antibiotikoj kaj tiel bredelektas rezistajn mutaciintojn. Kaj sekve ni nun kompreneble havas tiun tutmondan problemon pri infektaj malsanoj. Ni pensis, nu, se ni povus okazigi iajn kondutoŝanĝojn, fari tiujn bakteriojn tiaj, ke ili ne kapablu paroli, ne povu nombri, kaj ne sciu kiam lanĉi venenon.

Kaj do precize tion ni faris, ni elektis du strategiojn. La unua estas, ke ni celis la enspecian komunikadan sistemon. Ni do faris molekulojn, kiuj iel aspektas kiel la veraj molekuloj kiujn vi vidis, sed ili estas iomete malsamaj. Kaj sekve, ili enadaptiĝas en tiuj ingoj, kaj blokas la rekonon de la veraj. Celante la ruĝan sistemon ni kapablas fari speci-specifajn, aŭ malsan-specifajn kontraŭkvorumsensajn molekulojn. Ni ankaŭ faris la samon pri la rozkolora sistemo. Ni prenis tiun universalan molekulon kaj iom turnis ĝin, tiel ke ni faris kontraŭilojn . . .de la interspecia komunikada sistemo. La espero estas, ke tiuj estos uzataj ĉe larĝaspektraj antibiotikoj, kiuj efikas kontraŭ ĉiuj bakterioj.

Fine, mi montros al vi la strategion. Ĉi tie mi uzas nur la interspecian molekulon, sed la logiko precize samas. Vi scias, ke kiam tiu bakterio eniras beston, ĉikaze muson, ĝi ne tuj ekvenenigas. Ĝi eniras, ekkreskas, kaj ekekskrecias siajn kvorumsensajn molekulojn. Ĝi scias, kiam estas sufiĉe da bakterioj por lanĉi la atakon, kaj la besto mortas. Ni kapablis doni tiujn venenajn infektojn, sed ni donis ilin kune kun niaj kontraŭkvorumsensaj molekuloj, kiuj do estas molekuloj laŭ aspekto kiel la veraj, sed iomete malsamas, kiel desegnite en ĉi tiu bildo. Ni nun scias, ke se ni donas al besto malsanigan bakterion,multmedikamentimunan malsanigan bakterion, kaj samtempe donas nian kontraŭkvorumsensan molekulon, fakte la besto restas vivanta.

Ni opinias, ke tio estas la nova generacio de antibiotikoj kaj ke ĝi helpos nin solvi, almenaŭ komence, tiun grandan problemon de rezisto. Mi esperas ke vi opiniu, ke bakterioj povas paroli unu al la alia, ke ili uzas kemiaĵojn kiel vortojn, ke ili havas nekredeble malsimplan kemian leksikonon, kiun ni nun nur komencas esplori. Kompreneble, tio ebligas al bakterioj fariĝi multĉelaj. Do en la spirito de TED ili faras aferojn kune, ĉar tio realigas pozitivan ŝanĝon. Bakterioj havas tiujn kolektivajn kondutojn, kaj ili povas efektivigi taskojn, kiujn ili neniam povus plenumi, se ili simple agus individue.

Mi esperus plu argumenti al vi, ke tio estas la inventaĵo de multĉeleco. Bakterioj estas sur la tero jam miliardojn da jaroj. Homoj, nur kelkcent milojn. Ni pensas, ke bakterioj faris la regulojn, laŭ kiuj multĉeluloj funkcias. Ni pensas, ke esplorante bakteriojn, ni povos kompreneti multĉelecon en la homa korpo. Ni scias, ke la principoj kaj reguloj, se eblas kompreni ilin en tiaj primitivaj organismoj, estigas esperon, ke ili estos aplikataj ankaŭ por aliaj homaj malsanoj kaj homaj kondutoj. Mi esperas, ke vi lernis, ke bakterioj povas distingi sin unuj de aliaj. Uzante tiujn du molekulojn, ili povas diri “mi” kaj ili povas diri “vi”. Kompreneble ni faras tion kaj laŭ molekula maniero, kaj ankaŭ laŭ ekstera maniero, sed mi pensas pri la molekula afero.

Jen precize, kio okazas en via korpo. Ne estas ke viaj korĉeloj kaj viaj renĉeloj intermiksiĝas ĉiutage, kaj estas pro tio, ke ĉiu ĉi kemio okazas, ke tiuj molekuloj diras, kion ĉiu el tiuj ĉelgrupoj estas, kaj kio devas esti iliaj taskoj. Denove, ni pensas, ke bakterioj inventis tion, kaj vi nur evoluigis kelkajn kromajn ecojn, sed ĉiuj ideoj estas en tiuj simplaj sistemoj, kiujn ni povas esplori.

La fina afero estas, denove nur por ripeti ke estas praktika parto, ke ni faris tiujn kontraŭkvorumsensajn molekulojn, kiuj estas evoluigataj kiel novspecaj sanigiloj. Sed nun, por iom reklami ĉiujn bonajn kaj miraklajn bakteriojn, kiuj vivas sur la tero, ni ankaŭ faris molekulojn favorajn al kvorumsensado. Do, ni celis tiujn sistemojn por igi la molekulojn pli bone labori. Memoru, ke vi havas en aŭ sur vi almenaŭ dekoble pli da bakteriaj ĉeloj, kiuj tenas vin sana. Ni ankaŭ provas plifortigi la konversacion de la bakterioj, kiuj vivas kiel kunagantoj kun vi, esperante igi vin pli sana, plibonigante tiujn konversaciojn, por ke bakterioj povu pli bone fari la aferojn, kiujn ni deziras de ili, ol ili farus individue.

Fine, mi volis montri al vi, ke ĉi tio estas mia kunlaborantaro ĉe Princeton, Nov-Ĵersejo. Ĉio, pri kio mi parolis al vi, estis eltrovata de iu en tiu bildo. Mi esperas, ke kiam vi lernas aferojn pri kiel la natura mondo funkcias — mi nur volas diri, ke ĉiam, kiam vi legas ion en la ĵurnalo aŭ aŭdas iun paroli pri io ridinda en la natura mondo, ĝi estas farita de infano. Scienco estas farata de tiu demografia grupo. Ĉiu el tiuj homoj estas inter 20- kaj 30-jara, kaj ili estas la motoro, kiu pelas sciencan malkovradon en ĉi tiu lando. Estas vere bonŝanca demografio, por kunlabori. Mi iĝas ĉiam pli aĝa kaj ili havas ĉiam la saman aĝon, kaj estas ravega laborposteno. Mi volas danki vin pro la invito al mi tien ĉi. Estas granda plezuro por mi veni al ĉi tiu konferenco. Dankon.

TED 2009 Esperantigita de Leo De Cooman  •  Kontrolita de Aaron Irvine

Por la ilustraĵoj spektu la filmon kun esperantlingvaj subtitoloj.