Bakterien sind die ältesten Organismen, die auf der Erde leben. Sie sind schon seit Milliarden von Jahren hier und sind einzellige, mikroskopisch kleine Organismen. Sie bestehen nur aus einer Zelle und haben die spezielle Eigenschaft, dass sie nur einen DNA Strang beinhalten. Bakterien haben also nur sehr wenige Gene und genetische Informationen um sämtliche Merkmale, die sie ausführen, zu encodieren. Die Art und Weise wie ein Bakterium überlebt ist, dass sie sich von den Nährstoffen in der Umgebung ernähren. Sie wachsen auf die doppelte Größe an, teilen sich in der Mitte und aus einer Zelle werden zwei. Und so weiter und so fort. Also wachsen und teilen, wachsen und teilen. Eigentlich ein ziemlich langweiliges Leben. Stattdessen würde ich behaupten, dass Menschen eine erstaunliche Wechselbeziehung mit diesen Kreaturen haben.
Bacteria are the oldest living organisms on the earth. They've been here for billions of years, and what they are are single-celled microscopic organisms. So they're one cell and they have this special property that they only have one piece of DNA. So they have very few genes and genetic information to encode all of the traits that they carry out. And the way bacteria make a living is that they consume nutrients from the environment, they grow to twice their size, they cut themselves down in the middle, and one cell becomes two, and so on and so on. They just grow and divide and grow and divide -- so a kind of boring life, except that what I would argue is that you have an amazing interaction with these critters.
Ich weiß, dass Sie sich als Menschen betrachten. Und so denke ich fast auch. Dieser Mann hier ist dazu bestimmt, den allgemeinen Menschen zu repräsentieren. Und alle Kreise in diesem Mann sind alle Zellen, die Ihren Körper erschaffen. Es sind ungefähr 1 Billionen Zellen, die einen jeden von uns ausmachen, und uns ermöglichen, all die Dinge zu bewerkstelligen, die wir machen. Sie haben jedoch 10 Billionen Bakterien in oder auf Ihnen, zu jeden Zeitpunkt ihres Lebens. Also 10 mal so viele Bakterien wie menschliche Zellen in einem Menschen. Es ist jedoch die DNA die zählt. Hier sind also alle A, T, Gs und Cs, die Ihren genetischen Code bilden und Ihnen all die charmanten Charakterzüge verleihen. Sie haben ungefähr 30.000 Gene. Wie sich herausstellt, haben Sie etwa 100 mal mehr bakterielle Gene, die eine Rolle in Ihrem Leben auf oder in Ihnen spielt. Bestenfalls sind sie 10% Mensch, wahrscheinlich eher 1%, abhängig welche dieser Zahlen Sie bevorzugen. Ich weiß, Sie glauben Sie sind Menschen, aber ich betrachte Sie vielmehr zu 90 bis 99 Prozent aus Bakterien bestehend.
I know you guys think of yourself as humans, and this is sort of how I think of you. This man is supposed to represent a generic human being, and all of the circles in that man are all the cells that make up your body. There's about a trillion human cells that make each one of us who we are and able to do all the things that we do. But you have 10 trillion bacterial cells in you or on you at any moment in your life. So, 10 times more bacterial cells than human cells on a human being. And, of course, it's the DNA that counts, so here's all the A, T, Gs and Cs that make up your genetic code and give you all your charming characteristics. You have about 30,000 genes. Well, it turns out you have 100 times more bacterial genes playing a role in you or on you all of your life. So at the best, you're 10 percent human; more likely, about one percent human, depending on which of these metrics you like. I know you think of yourself as human beings, but I think of you as 90 or 99 percent bacterial.
(Lachen)
(Laughter)
Diese Bakterien sind keine blinden Passagiere. Nein, sie sind vielmehr erstaunlich wichtig. Sie erhalten uns am Leben. Sie bedecken uns mit einer unsichtbaren Körperschutzhülle, die Angriffe aus der Umwelt fernhält, so dass wir gesund bleiben. Sie verdauen unsere Nahrung. Sie produzieren unsere Vitamine. Sie bilden sogar unser Immunsystem aus, gefährliche Mikroben abzuwehren. Die Bakterien vollbringen also alle diese erstaunlichen Dinge, die uns helfen, uns sogar erst ermöglichen, ein gesundes Leben zu führen. Dafür wird ihnen niemals Beachtung geschenkt. Jedoch bekommen sie viel schlechte Presse, für all die grauenvollen Sachen, die sie auch anrichten. Es gibt so viele verschiede Bakterien auf der Erde, die zu keinem Zeitpunkt weder in noch auf Ihnen etwas zu suchen haben. Und falls sie es sind, machen sie Sie unglaublich krank!
And these bacteria are not passive riders. These are incredibly important; they keep us alive. They cover us in an invisible body armor that keeps environmental insults out so that we stay healthy. They digest our food, they make our vitamins, they actually educate your immune system to keep bad microbes out. So they do all these amazing things that help us and are vital for keeping us alive, and they never get any press for that. But they get a lot of press because they do a lot of terrible things as well. So there's all kinds of bacteria on the earth that have no business being in you or on you at any time, and if they are, they make you incredibly sick.
Und so stellt sich die Frage in meinem Labor, ob man über all die guten Taten, die Bakterien vollbringen, denken möchte, oder über all die schlechten. Wir fragten uns: Wie können sie überhaupt etwas erreichen? Ich meine, sie sind so unglaublich klein, dass Sie ein Mikroskop brauchen, um welche zu sehen. Sie führen dieses langweilige Leben, währenddessen sie wachsen und sich teilen. Und sie wurden immer für zurückgezogene, unsoziale Organismen gehalten. Es schien uns also, dass sie einfach zu klein sind, um einen Auswirkung auf die Umwelt zu haben, wenn sie nur als Individuen agieren. So dachten wir uns, ob es nicht einen andere Art und Weise gäbe, wie ein Bakterium lebt.
And so the question for my lab is whether you want to think about all the good things that bacteria do or all the bad things that bacteria do. The question we had is: How could they do anything at all? I mean, they're incredibly small. You have to have a microscope to see one. They live this sort of boring life where they grow and divide, and they've always been considered to be these asocial, reclusive organisms. And so it seemed to us that they're just too small to have an impact on the environment if they simply act as individuals. So we wanted to think if there couldn't be a different way that bacteria live.
Einen Anhaltspunkt fanden wir aufgrund eines marinen Bakteriums, und dieses Bakterium heißt "Vibrio fischeri" Auf dieser Folie sehen Sie ein Mitglied aus meinem Labor, welches einen Glasbehälter mit einer flüssigen Bakterienkultur in der Hand hält. Ein ungefährliches, wunderschönes Bakterium, das aus dem Ozean stammt, mit dem Namen "Vibrio fischeri". Dieses Bakterium hat die spezielle Eigenschaft, dass es Licht erzeugt, es erzeugt also Bio-Lumineszenz, wie z.B. ein Glühwürmchen. Wir machen nichts mit diesen Zellen hier. Wir haben einfach ein Foto gemacht, während es im Raum dunkel war, und das hier konnten wir beobachten.
And the clue to this came from another marine bacterium, and it's a bacterium called "Vibrio fischeri." What you're looking at on this slide is just a person from my lab holding a flask of a liquid culture of a bacterium, a harmless, beautiful bacterium that comes from the ocean, named Vibrio fischeri. And this bacterium has the special property that it makes light, so it makes bioluminescence, like fireflies make light. We're not doing anything to the cells here, we just took the picture by turning the lights off in the room, and this is what we see.
Aber was eigentlich interessant für uns war, ist nicht, dass das Bakterium Licht erzeugt hat, sondern wann es zu leuchten begann. Uns ist aufgefallen, dass, wenn die Bakterien alleine waren, also in verdünnter Suspension, sie kein Licht erzeugten. Aber als sie zu einer gewissen Zellanzahl herangewachsen waren, begannen sie alle gleichzeitig zu leuchten. Die Frage war für uns also: Wie können Bakterien, diese primitiven Organismen, unterscheiden ob sie entweder allein sind oder sich in einer Gemeinschaft befinden, um dann alle zusammen etwas zu bewirken. Wir haben herausgefunden, dass sie untereinander kommunizieren. Und sie bewerkstelligen das mit Hilfe einer chemischen Sprache.
And what's actually interesting to us was not that the bacteria made light but when the bacteria made light. What we noticed is when the bacteria were alone, so when they were in dilute suspension, they made no light. But when they grew to a certain cell number, all the bacteria turned on light simultaneously. So the question that we had is: How can bacteria, these primitive organisms, tell the difference from times when they're alone and times when they're in a community, and then all do something together? And what we figured out is that the way they do that is they talk to each other,
Das hier stellt eine bakterielle Zelle dar. Wenn sie alleine ist erzeugt sie kein Licht. Aber sie stellt kleine Moleküle her und scheidet diese aus. Sie können sich die als eine Art Hormon vorstellen. Das sind diese roten Dreiecke. Wenn das Bakterium alleine ist schwimmen die Moleküle einfach weg. Folglich kein Licht. Aber wenn die Bakterien wachsen und sich verdoppeln und sich alle daran beteiligen, diese Moleküle herzustellen, dann steigt die Zahl dieser Moleküle außerhalb der Zelle proportional zu der Zellanzahl. Wenn die Moleküle dann eine gewisse Anzahl übersteigen, die das Bakterium informiert wie viele Nachbarn es gibt, werden sie vom Bakterium wahrgenommen und alle fangen synchron an, zu leuchten. So funktioniert Bio-Lumineszenz -- sie sprechen mit Hilfe dieser chemischen Wörter.
and they talk with a chemical language. So this is now supposed to be my bacterial cell. When it's alone, it doesn't make any light. But what it does do is to make and secrete small molecules that you can think of like hormones, and these are the red triangles. And when the bacteria are alone, the molecules just float away, and so, no light. But when the bacteria grow and double and they're all participating in making these molecules, the molecule, the extracellular amount of that molecule, increases in proportion to cell number. And when the molecule hits a certain amount that tells the bacteria how many neighbors there are, they recognize that molecule and all of the bacteria turn on light in synchrony. And so that's how bioluminescence works -- they're talking with these chemical words.
Der Grund, weswegen Vibrio fischeri das macht entstammt der Biologie. Ein bisschen mehr Werbung für die Tiere der Meere: Vibrio fischeri lebt in diesem Tintenfisch. Sie sehen den Bobtail Tintenfisch aus Hawaii. Er liegt auf dem Rücken. Ich hoffe, sie könne diese zwei leuchtenden Lappen sehen. Vibrio fischeri lebt dort in hoch konzentrierter Zellanzahl. Das Molekül ist vorhanden und sie machen Licht. Der Grund, weswegen sich der Tintenfisch auf diese Spielerei eingelassen hat, ist, dass er das Licht will. Die Symbiose funktioniert folgendermaßen. Jener Tintenfisch lebt etwas von der Küste Hawaiis entfernt. Also im seichten, Knie tiefen Wasser. Der Tintenfisch ist nachtaktiv, also vergräbt er sich tagsüber in den sandigen Boden und schläft. Aber in der Nacht muss er hervorkommen, um zu jagen. In hellen Nächten, wenn es viel Sternen- oder Mondlicht gibt, kann das Licht bis in den Lebensraum des Tintenfisches vordringen, weil es nicht allzu tief ist. Dieser Tintenfisch hat eine Blende entwickelt, die er über diesem speziellen Lichtorgan, in dem sich die Bakterien befinden, öffnen und schließen kann. Außerdem hat er Sensoren auf seinem Rücken, mit denen er das einfallende Licht der Sterne und des Mondes erfassen kann. Nun reguliert der Tintenfisch die Blende so, dass das Licht, was unten herauskommt, welches von den Bakterien erzeugt wird, genau an das einfallende Licht angepasst wird und er keinen Schatten wirft. Er nutzt also das Licht der Bakterien, um sich selbst zu beleuchten als Verteidigungsmaßnahme, denn so können seine Feinde keinen Schatten mehr sehen, um seine Bewegungsabläufe zu bestimmen und ihn dann zu essen. Das ist quasi der Tarnkappenbomber der Meere.
The reason Vibrio fischeri is doing that comes from the biology -- again, another plug for the animals in the ocean. Vibrio fischeri lives in this squid. What you're looking at is the Hawaiian bobtail squid. It's been turned on its back, and what I hope you can see are these two glowing lobes. These house the Vibrio fischeri cells. They live in there, at high cell number. That molecule is there, and they're making light. And the reason the squid is willing to put up with these shenanigans is because it wants that light. The way that this symbiosis works is that this little squid lives just off the coast of Hawaii, just in sort of shallow knee-deep water. And the squid is nocturnal, so during the day, it buries itself in the sand and sleeps. But then at night, it has to come out to hunt. So on bright nights when there's lots of starlight or moonlight, that light can penetrate the depth of the water the squid lives in, since it's just in those couple feet of water. What the squid has developed is a shutter that can open and close over the specialized light organ housing the bacteria. And then it has detectors on its back so it can sense how much starlight or moonlight is hitting its back. And it opens and closes the shutter so the amount of light coming out of the bottom, which is made by the bacterium, exactly matches how much light hits the squid's back, so the squid doesn't make a shadow. So it actually uses the light from the bacteria to counter-illuminate itself in an antipredation device, so predators can't see its shadow, calculate its trajectory and eat it. So this is like the stealth bomber of the ocean.
(Lachen)
(Laughter)
Aber wenn Sie jetzt darüber nachdenken hat dieser Tintenfisch dieses schreckliche Problem. Er hat diese absterbende, fette Kultur von Bakterien, die er nicht aufrechterhalten kann. Es geschehen also folgende Dinge: Jeden Morgen wenn die Sonne aufgeht, legt sich der Tintenfisch wieder unter dem Sand schlafen. An seinem Biorhythmus ist eine Pumpe angeschlossen, die jeden Morgen ca. 95% der Bakterien nach draußen schleudert. Jetzt sind die Bakterien verdünnt, das winzige Hormonmolekül ist weg und sie erzeugen folglich auch kein Licht. Das kümmert den Tintefisch natürlich nicht, denn er ist ja am schlafen. Im weiteren Tagesverlauf verdoppeln sich die Bakterien wieder, lassen das Molekül frei und das Licht geht gegen Abend an, genau dann, wenn der Tintenfisch es braucht.
But then if you think about it, this squid has this terrible problem, because it's got this dying, thick culture of bacteria, and it can't sustain that. And so what happens is, every morning when the sun comes up, the squid goes back to sleep, it buries itself in the sand, and it's got a pump that's attached to its circadian rhythm. And when the sun comes up, it pumps out, like, 95 percent of the bacteria. So now the bacteria are dilute, that little hormone molecule is gone, so they're not making light. But, of course, the squid doesn't care, it's asleep in the sand. And as the day goes by, the bacteria double, they release the molecule, and then light comes on at night, exactly when the squid wants it.
Zuerst haben wir herausgefunden, wie Bakterien das anstellen, aber danach brachten wir die Werkzeuge der Molekularbiologie ein, um den genauen Vorgang zu identifizieren. Wir entdeckten, - Also, das ist wieder meine bakterielle Zelle - dass Vibrio fischeri ein Protein hat - dieser rote Kasten - welches ein Enzym ist, das die kleinen Hormon-Moleküle - die roten Dreiecke - produziert. Wenn die Zellen dann wachsen, geben sie alle dieses Molekül an die Umwelt ab und so sind diese dann reichhaltig vorhanden. Des Weiteren hat das Bakterium einen Rezeptor auf der Zellhülle, der genau zu dem Molekül passt – nach einem Schlüssel-Schloss-Prinzip. Genauso wie die Rezeptoren auf der Oberfläche Ihrer Zellen. Wenn die Moleküle zu einer gewissen Zahl heranwachsen, was etwas über die Anzahl der Bakterien aussagt, dann geht es die Verbindung mit diesem Rezeptor ein. Die Information gelangt dann in die Zelle, die dann der Zelle "sagt", dass es das kollektive Verhalten, zu leuchten, einschalten soll.
So first, we figured out how this bacterium does this, but then we brought the tools of molecular biology to this to figure out, really, what's the mechanism. And what we found -- so this is now supposed to be my bacterial cell -- is that Vibrio fischeri has a protein. That's the red box -- it's an enzyme that makes that little hormone molecule, the red triangle. And then as the cells grow, they're all releasing that molecule into the environment, so there's lots of molecule there. And the bacteria also have a receptor on their cell surface that fits like a lock and key with that molecule. These are just like the receptors on the surfaces of your cells. So when the molecule increases to a certain amount, which says something about the number of cells, it locks down into that receptor and information comes into the cells that tells the cells to turn on this collective behavior of making light.
Das ist interessant, weil wir im letzten Jahrzehnt herausfanden, dass dies nicht nur irgendeine Anomalie dieses lächerlichen "Leuchten bei Nacht"-Meeresbakteriums ist. Alle Bakterien haben solche Systeme. Nun wissen wir, dass alle Bakterien miteinander sprechen können. Sie produzieren chemische Wörter, erkennen diese, und schalten dann das Gruppenverhalten ein, welches nur erfolgreich ist, wenn sich alle gleichzeitig daran beteiligen. Wir haben dafür einen schicken Namen: "Quorum Sensing" Die Bakterien stimmen mit Hilfe dieser chemischen Wörter ab. Dann wird ausgezählt, woraufhin jeder auf das Ergebnis reagiert.
Why this is interesting is because in the past decade, we have found that this is not just some anomaly of this ridiculous, glow-in-the-dark bacterium that lives in the ocean -- all bacteria have systems like this. So now what we understand is that all bacteria can talk to each other. They make chemical words, they recognize those words, and they turn on group behaviors that are only successful when all of the cells participate in unison. So now we have a fancy name for this: we call it "quorum sensing." They vote with these chemical votes, the vote gets counted, and then everybody responds to the vote.
Aber was für den Vortrag heute wichtig ist, ist, dass es hunderte von Verhalten gibt, die Bakterien in dieser kollektiven Manier ausführen. Aber die Sache, die für Sie am wahrscheinlich am wichtigsten ist, ist Virulenz. Es ist nicht so, dass ein paar Bakterien in Sie gelangen und dann beginnen Gifte freizusetzen. Sie sind zu groß, das würde keinen Effekt hervorrufen. Wir wissen jetzt, dass die Bakterien in Sie gelangen, dort warten und heranwachsen, sich selbst mit diesen kleinen Molekülen zählen erkennen, wann sie die erforderliche Zellanzahl erreicht haben, und dann, wenn sie ihre Attacke zusammen starten, sind sie erfolgreich, einen riesigen Wirt zu übermannen. Bakterien steuern das Auslösen von Krankheiten immer mit Quorum Sensing. So funktioniert es.
What's important for today's talk is we know there are hundreds of behaviors that bacteria carry out in these collective fashions. But the one that's probably the most important to you is virulence. It's not like a couple bacteria get in you and start secreting some toxins -- you're enormous; that would have no effect on you, you're huge. But what they do, we now understand, is they get in you, they wait, they start growing, they count themselves with these little molecules, and they recognize when they have the right cell number that if all of the bacteria launch their virulence attack together, they're going to be successful at overcoming an enormous host. So bacteria always control pathogenicity with quorum sensing. So that's how it works.
Außerdem haben wir die Moleküle genauer unter die Lupe genommen - das waren die roten Dreiecke auf meinen Folien zuvor. Das ist das Vibrio fischeri Molekül. Das ist das Wort, mit dem es spricht. Wir begannen, uns weitere Bakterien anzusehen und das ist nur ein Bruchteil der Moleküle, die wir fanden. Ich hoffe, Sie können erkennen, dass die Moleküle verwandt sind. Der linke Teil des Moleküls ist identisch in jeder einzelnen Bakterienspezies. Aber der rechte Teil des Moleküls ist in jeder Spezies ein klein wenig anders. Das gewährleistet eine speziesspezifische Exklusivität dieser Sprachen Jedes Molekül passt in seinen Partnerrezeptor und keinen anderen. Es sind also private, geheime Unterhaltungen. Es ist eine speziesinterne Kommunikation. Jedes Bakterium benutzt die eigene Molekülsprache, um die eigenen Geschwister zählen zu können.
We also then went to look at what are these molecules. These were the red triangles on my slides before. This is the Vibrio fischeri molecule. This is the word that it talks with. And then we started to look at other bacteria, and these are just a smattering of the molecules that we've discovered. What I hope you can see is that the molecules are related. The left-hand part of the molecule is identical in every single species of bacteria. But the right-hand part of the molecule is a little bit different in every single species. What that does is to confer exquisite species specificities to these languages. So each molecule fits into its partner receptor and no other. So these are private, secret conversations. These conversations are for intraspecies communication. Each bacteria uses a particular molecule that's its language that allows it to count its own siblings.
Als wir so weit gekommen waren, dachten wir, dass wir begannen, zu verstehen, dass Bakterien soziale Verhalten besitzen. Aber woran wir wirklich fast den ganzen Tag lang dachten war, dass Bakterien nicht alleine, sondern vielmehr in unglaublichen Mixturen, die aus vielen hunderten bis tausenden verschieden Bakterien bestehen können, leben. Das ist auf der Folie beschrieben. Das ist Ihre Haut. Das ist nur ein Foto – eine Mikroskopaufnahme Ihrer Haut. Überall auf Ihren Körpern sieht es nahezu genauso aus wie auf dem Foto. Ich hoffe sie können sehen, dass es hier von Bakterien aller Art nur so wimmelt. Und so begannen wir, uns zu überlegen, ob es wirklich um Kommunikation zwischen Bakterien geht und darum ihre Nachbarn zu zählen, denn es ist nicht ausreichend, sich nur in der eigenen Spezies unterhalten zu können. Es musste einen Weg geben, eine Befragung der restlichen Bakterien in der Population durchzuführen.
Once we got that far, we thought we were starting to understand that bacteria have these social behaviors. But what we were really thinking about is that most of the time, bacteria don't live by themselves, they live in incredible mixtures, with hundreds or thousands of other species of bacteria. And that's depicted on this slide. This is your skin. So this is just a picture -- a micrograph of your skin. Anywhere on your body, it looks pretty much like this. What I hope you can see is that there's all kinds of bacteria there. And so we started to think, if this really is about communication in bacteria, and it's about counting your neighbors, it's not enough to be able to only talk within your species. There has to be a way to take a census
Wir gingen also wieder zurück zur Molekularbiologie und fingen an, verschiedene Bakterien zu untersuchen. Wir fanden heraus, dass Bakterien tatsächlich mehrsprachig sind. Sie haben alle ein speziesspezifisches System - sie haben dafür ein Molekül das "ich" sagt. Aber dann fahren sie zweigleisig dazu noch ein zweites System, welches wir entdeckt haben, das allgemein ist. Sie besitzen ein zweites Enzym, welches ein zweites Signal herstellt. Das hat auch seinen eigenen Rezeptor und dieses Molekül ist die Handelssprache der Bakterien. Es wird von allen unterschiedlichen Bakterien verwendet und stellt die interspezielle Kommunikation dar. Nun sind Bakterien in der Lage zu zählen, wie viele es von "mir" und von "euch" gibt. Diese Information verinnerlichen sie und entscheiden dann, welche Aufgabe sie ausführen abhängig davon, wer in der Minderheit bzw. in der Mehrheit der vorhanden Population ist.
of the rest of the bacteria in the population. So we went back to molecular biology and started studying different bacteria. And what we've found now is that, in fact, bacteria are multilingual. They all have a species-specific system, they have a molecule that says "me." But then running in parallel to that is a second system that we've discovered, that's generic. So they have a second enzyme that makes a second signal, and it has its own receptor, and this molecule is the trade language of bacteria. It's used by all different bacteria, and it's the language of interspecies communication. What happens is that bacteria are able to count how many of "me" and how many of "you." And they take that information inside, and they decide what tasks to carry out depending on who's in the minority and who's in the majority of any given population.
Dann haben wir uns wieder an die Chemie gewandt und herausgefunden, was dieses generische Molekül ist - es war das rosa Oval auf meiner Folie, das ist es. Es ist ein sehr kleines, fünfarmiges Kohlenstoffmolekül. Das Wichtige daran, was wir gelernt haben, ist, dass jedes Bakterium das identische Enzym hat und das identische Molekül bildet. Sie verwenden also alle dieses Molekül für die Kommunikation zwischen den Spezies. Das ist quasi das bakterielle Esperanto.
Then, again, we turned to chemistry, and we figured out what this generic molecule is -- that was the pink ovals on my last slide, this is it. It's a very small, five-carbon molecule. And what the important thing is that we learned is that every bacterium has exactly the same enzyme and makes exactly the same molecule. So they're all using this molecule for interspecies communication. This is the bacterial Esperanto.
(Lachen)
(Laughter)
Als wir so weit waren, begannen wir zu verstehen, dass Bakterien miteinander reden können, mithilfe dieser chemischen Sprache. Aber wir dachten auch daran, dass es vielleicht etwas brauchbareres gibt, das wir nutzen können. Ich habe Ihnen von dem sozialen Verhalten der Bakterien erzählt, dass sie mit Hilfe der Moleküle kommunizieren. Natürlich habe ich Ihnen auch mitgeteilt, dass eine der wichtigen Dinge, die sie machen das Auslösen von Krankheiten mit Hilfe von Quorum Sensing ist. Wir dachten: Was passiert wenn wir die Bakterien beeinflussen, so dass nicht sprechen oder hören können? Könnte das nicht eine neue Sorte Antibiotika sein?
So once we got that far, we started to learn that bacteria can talk to each other with this chemical language. But we started to think that maybe there is something practical that we can do here as well. I've told you that bacteria have all these social behaviors, that they communicate with these molecules. Of course, I've also told you that one of the important things they do is to initiate pathogenicity using quorum sensing. So we thought: What if we made these bacteria so they can't talk or they can't hear? Couldn't these be new kinds of antibiotics?
Sie haben es sicherlich bereits vernommen und wissen auch, dass Antibiotika zur Neige gehen. Bakterien sind unglaublich arzneimittelresistent geworden, was darauf zurückzuführen ist, dass wir mit Antibiotika Bakterien töten. Sie lassen die Zellmembrane aufplatzen, sie bewirken, dass Bakterien keine DNA mehr replizieren können. Wir töten Bakterien mit traditionellen Antibiotika und das selektiert für resistente Mutanten. Jetzt haben wir natürlich ein globales Problem auf dem Gebiet der Infektionskrankheiten. Wir dachten: Wie wäre es, wenn wir ein paar Verhaltenmodifikationen vornehmen, so dass diese Bakterien nicht reden könnten, sich nicht zählen könnten und schließlich auch nicht wüssten, wann sie angreifen sollen.
And of course, you've just heard and you already know that we're running out of antibiotics. Bacteria are incredibly multi-drug-resistant right now, and that's because all of the antibiotics that we use kill bacteria. They either pop the bacterial membrane, they make the bacterium so it can't replicate its DNA. We kill bacteria with traditional antibiotics, and that selects for resistant mutants. And so now, of course, we have this global problem in infectious diseases. So we thought, what if we could sort of do behavior modifications, just make these bacteria so they can't talk, they can't count, and they don't know to launch virulence?
Und das ist genau das, was wir taten. Wir verfolgten zwei Strategien. Die erste zielt auf das speziesinterne Kommunikationssystem ab. Wir erstellten Moleküle, die fast wie die Echten aussahen - die Sie schon sahen - aber diese unterscheiden sich etwas. Deshalb verschließen sie die Rezeptoren und stören das Erkennen der echten Moleküle. Wenn wir auf das rote System abzielen, sind wir in der Lage, speziesspezifische oder krankheitsspezifische Anti-Quorum-Sensing-Moleküle herzustellen. Wir haben das gleiche ebenfalls auf das rosa System angewandt. Wir nahmen das Universalmolekül und veränderten es etwas, so dass wir Gegenspieler des interspeziellen Kommunikationssystems herstellten. Wir hoffen, dass diese als allgemeine Antibiotika benutzt werden, die gegen alle Bakterien wirken.
So that's exactly what we've done, and we've sort of taken two strategies. The first one is, we've targeted the intraspecies communication system. So we made molecules that look kind of like the real molecules, which you saw, but they're a little bit different. And so they lock into those receptors, and they jam recognition of the real thing. So by targeting the red system, what we are able to do is make species-specific, or disease-specific, anti-quorum-sensing molecules. We've also done the same thing with the pink system. We've taken that universal molecule and turned it around a little bit so that we've made antagonists of the interspecies communication system. The hope is that these will be used as broad-spectrum antibiotics that work against all bacteria.
Zum Ende werde ich Ihnen die Strategie vorstellen. Hier verwende ich nur das speziesinterne Molekül aber der Denkansatz ist exakt der gleiche. Sie wissen bereits, dass wenn ein Bakterium in ein Tier gelangt, in diesem Fall eine Maus, es nicht sofort die Krankheit auslöst. Es dringt ein, beginnt zu wachsen und dann die Quorum-Sensing-Moleküle auszuscheiden. Die Bakterien erkennen wann sie ausreichend in Anzahl sind und erst jetzt starten sie ihren Angriff, und das Tier stirbt. Wir waren in der Lage diese Krankheitserreger zu spritzen, aber wir spritzten sie zusammen mit den Anti-Quorum-Sensing-Molekülen also die Moleküle, die aussehen wie die Echten. Aber sie unterscheiden sich etwas, was ich auf dieser Folie dargestellt habe. Wir wissen nun, dass wenn wir einem Tier krankheitsauslösende Bakterien - mehrfach resistente, krankheitsauslösende Bakterien - spritzen und zur selben Zeit das Anti-Quorum-Sensing-Molekül injizieren das Tier tatsächlich am Leben bleibt.
And so to finish, I'll show you the strategy. In this one, I'm just using the interspecies molecule, but the logic is exactly the same. So what you know is that when that bacterium gets into the animal -- in this case, a mouse -- it doesn't initiate virulence right away. It gets in, it starts growing, it starts secreting its quorum-sensing molecules. It recognizes when it has enough bacteria that now they're going to launch their attack, and the animal dies. And so what we've been able to do is to give these virulent infections, but we give them in conjunction with our anti-quorum-sensing molecules. So these are molecules that look kind of like the real thing, but they're a little different, which I've depicted on this slide. What we now know is that if we treat the animal with a pathogenic bacterium -- a multi-drug-resistant pathogenic bacterium -- in the same time we give our anti-quorum-sensing molecule, in fact, the animal lives.
Wir glauben, dass dies die nächste Antibiotikageneration ist und wir werden damit, zumindest anfänglich, dieses große Problem der Resistenz lösen. Ich hoffe Sie wissen jetzt, dass Bakterien miteinander sprechen können. Sie nutzten Chemikalien als deren Worte, haben ein unwahrscheinlich komplexes chemisches Lexikon und wir beginnen gerade erst, es zu verstehen. Das erlaubt Bakterien natürlich, multizellulär zu sein. Mit dem Grundgedanken von TED bewerkstelligen sie Dinge zusammen, weil sie so etwas Signifikantes bewirken können. Fakt ist, dass Bakterien ein kollektives Verhalten haben und dass sie Aufgaben erfüllen, die sie alleine nie verwirklichen könnten wenn sie nur als Individuen agieren würden.
And so we think that this is the next generation of antibiotics, and it's going to get us around, at least initially, this big problem of resistance. What I hope you think is that bacteria can talk to each other, they use chemicals as their words, they have an incredibly complicated chemical lexicon that we're just now starting to learn about. Of course, what that allows bacteria to do is to be multicellular. So in the spirit of TED, they're doing things together because it makes a difference. What happens is that bacteria have these collective behaviors, and they can carry out tasks that they could never accomplish if they simply acted as individuals.
Ich hoffe an Sie heranbringen zu können, dass dies die Erfindung der Mehrzeller ist. Bakterien sind seit Milliarden von Jahren auf der Erde. Menschen - seit ein paar hunderttausend. Wir denken Bakterien haben die Regeln aufgestellt wie mehrzellige Organismen zu funktionieren haben. Wir glauben, wenn wir Bakterien beobachten, werden wir mehr Einsichten über komplexe Zellen im menschlichen Körper erlangen. Wir wissen, dass die Prinzipien und die Regeln, wenn wir sie in diesen primitiven Organismen entschlüsseln können, sich hoffentlich auf andere menschliche Krankheiten und Verhaltensmuster anwenden lassen. Ich hoffe, dass sie gelernt haben, dass Bakterien zwischen sich selbst und anderen unterscheiden können. Mit diesen zwei Molekülen können sie „ich“ und „du“ sagen. Das ist, nochmals, was wir tun sowohl auf molekularer Ebene aber auch nach außen hin. Jedoch denke ich über die molekularen Dinge nach.
What I would hope that I could further argue to you is that this is the invention of multicellularity. Bacteria have been on the earth for billions of years; humans, couple hundred thousand. So we think bacteria made the rules for how multicellular organization works. And we think by studying bacteria, we're going to be able to have insight about multicellularity in the human body. So we know that the principles and the rules, if we can figure them out in these sort of primitive organisms, the hope is that they will be applied to other human diseases and human behaviors as well. I hope that what you've learned is that bacteria can distinguish self from other. So by using these two molecules, they can say "me" and they can say "you." And again, of course, that's what we do, both in a molecular way, and also in an outward way, but I think about the molecular stuff.
Genau das passiert in Ihrem Körper. Es ist aber nicht so, dass Ihre Herzzellen und Ihre Nierenzellen jeden Tag durcheinandergebracht werden. Das liegt daran, weil es diese Chemie dazwischen gibt, die Moleküle, die sagen welche jede dieser Zellgruppen ist, Und was ihre Aufgabe sein sollte. Wie bereits erwähnt, denken wir, dass Bakterien das erfunden haben und wir haben nur etwas mehr Schnickschnack entwickelt. Aber alle diese Ideen sind in diesen einfachsten Systemen, die wir studieren können.
This is exactly what happens in your body. It's not like your heart cells and kidney cells get all mixed up every day, and that's because there's all of this chemistry going on, these molecules that say who each of these groups of cells is and what their tasks should be. So again, we think bacteria invented that, and you've just evolved a few more bells and whistles, but all of the ideas are in these simple systems that we can study.
Letztlich ist nochmals zu betonen, dass es einen effektiven Nutzen gibt, und dass daraus die Anti-Quorum-Sensing Moleküle entstanden sind, die als neue therapeutische Maßnahmen entwickelt werden. Aber um mit etwas Werbung für all die guten und wunderbaren Bakterien, die auf der Erde leben zu enden, haben wir auch Pro-Quorum-Sensing Moleküle hergestellt. Wir haben also auf diese Systeme abgezielt, so dass die Moleküle besser arbeiten. Denken Sie daran! Sie haben 10 mal mehr bakterielle Zellen in oder auf Ihnen, die Sie gesund halten. Des Weiteren versuchen wir, die Unterhaltung etwas aufzupeppen, zwischen den Bakterien, die in Symbiose mit Ihnen leben, in der Hoffnung, Sie gesünder zu machen indem wir die Verständigung verbessern, so dass Bakterien Dinge, die wir wollen, gemeinsam erledigen, und damit besser, als wenn sie alleine wären.
And the final thing is, just to reiterate that there's this practical part, and so we've made these anti-quorum-sensing molecules that are being developed as new kinds of therapeutics. But then, to finish with a plug for all the good and miraculous bacteria that live on the earth, we've also made pro-quorum-sensing molecules. So we've targeted those systems to make the molecules work better. So remember, you have these 10 times or more bacterial cells in you or on you, keeping you healthy. What we're also trying to do is to beef up the conversation of the bacteria that live as mutualists with you, in the hopes of making you more healthy, making those conversations better, so bacteria can do things that we want them to do better than they would be on their own.
Zum Schluss möchte ich Ihnen noch meine Gang in Princeton, New Jersey, zeigen. Alles was ich Ihnen heute erzählt habe, wurde von jemandem auf diesem Bild entdeckt. Ich hoffe, dass wenn sie neue Dinge erfahren, wie beispielsweise die Natur funktioniert -- Ich möchte nur ausdrücken, dass wenn Sie etwas in der Zeitung lesen oder einen Vortrag über etwas absurdes aus der Naturwissenschaft hören, es von einem Kind gemacht wurde. Wissenschaft wird von jungen Menschen gemacht. All diese Leute sind zwischen 20 und 30 Jahren alt und Sie sind der Motor, der die wissenschaftlichen Entdeckungen dieses Landes vorantreibt. Es ist eine tolle Altersgruppe, mit der ich zusammenarbeite. Ich werde immer älter und älter und Sie bleiben immer gleich alt aber es ist einfach ein erheiternder und zugleich verrückter Beruf. Ich möchte Ihnen für die Einlandung hierher danken. Es ist eine große Ehre für mich, zu dieser Konferenz kommen zu dürfen.
Finally, I wanted to show you -- this is my gang at Princeton, New Jersey. Everything I told you about was discovered by someone in that picture. And I hope when you learn things, like about how the natural world works -- I just want to say that whenever you read something in the newspaper or you hear some talk about something ridiculous in the natural world, it was done by a child. So science is done by that demographic. All of those people are between 20 and 30 years old, and they are the engine that drives scientific discovery in this country. And it's a really lucky demographic to work with. (Applause) I keep getting older and older, and they're always the same age. And it's just a crazy, delightful job. And I want to thank you for inviting me here,
(Beifall)
it's a big treat for me to get to come to this conference.
(Applause)
Danke
Thanks.
(Beifall)
(Applause)