Τα βακτήρια είναι οι αρχαιότεροι ζωντανοί οργανισμοί πάνω στη Γη. Υπάρχουν εδώ και δισεκατομμύρια χρόνια, και είναι μονοκύτταροι μικροσκοπικοί οργανισμοί. Είναι λοιπόν μονοκύτταροι και έχουν την ξεχωριστή ιδιότητα να διαθέτουν μόνο ένα κομμάτι DNA. Έχουν πολύ λίγα γονίδια, και γενετική πληροφορία για να κωδικοποιήσουν όλα τα χαρακτηριστικά που τους είναι αναγκαία. Ο τρόπος με τον οποίον επιβιώνουν τα βακτήρια είναι καταναλώνοντας θρεπτικά συστατικά από το περιβάλλον, μεγαλώνουν στο διπλάσιο του μεγέθους τους, κόβουν το εαυτό τους στη μέση, και το ένα κύτταρο γίνεται δύο, κλπ, κλπ. Απλώς μεγαλώνουν και διαιρούνται, μεγαλώνουν και διαιρούνται - μια κάπως βαρετή ζωή, μόνο που θα υποστήριζα ότι έχετε μια εκπληκτική αλληλεπίδραση μ' αυτά τα όντα.
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.
Ξέρω ότι θεωρείτε τους εαυτούς σας ως ανθρώπους, κι έτσι περίπου σας βλέπω κι εγώ. Αυτός ο άνδρας υποτίθεται ότι αντιπροσωπεύει ένα τυπικό ανθρώπινο ον, και όλοι οι κύκλοι μέσα σ' αυτόν τον άνθρωπο είναι τα κύτταρα που αποτελούν το σώμα σας. Υπάρχουν περίπου ένα τρισεκατομμύριο κύτταρα που αποτελούν τον καθένα μας, το ποιοι είμαστε και το πώς μπορούμε να κάνουμε όλα τα πράγματα που κάνουμε, αλλά έχετε 10 τρισεκατομμύρια βακτηριακά κύτταρα μέσα σας ή πάνω σας ανά πάσα στιγμή στη ζωή σας. Λοιπόν, 10 φορές περισσότερα βακτηριακά κύτταρα απ' ό,τι ανθρώπινα κύτταρα σε έναν άνθρωπο. Και φυσικά είναι το DNA που μετράει, κι έτσι εδώ είναι όλα τα A, T, G και C που αποτελούν τον γενετικό σας κώδικα, και σας δίνουν όλα τα γοητευτικά χαρακτηριστικά σας. Έχετε περίπου 30.000 γονίδια. Λοιπόν τελικά έχετε 100 φορές περισσότερα βακτηριακά γονίδια που παίζουν κάποιο ρόλο μέσα σας ή επάνω σας, σε όλη σας τη ζωή. Είστε 10 τοις εκατό άνθρωπος, το πολύ, αλλά πιθανότερα περίπου ένα τοις εκατό άνθρωπος, αναλόγως ποιο από αυτά τα μετρικά συστήματα προτιμάτε. Ξέρω ότι θεωρείτε τον εαυτό σας άνθρωπο, αλλά εγώ σας θεωρώ 90 ή 99 τοις εκατό βακτηριακό ον.
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.
(Γέλια)
(Laughter)
Αυτά τα βακτήρια δεν είναι παθητικοί επιβάτες, είναι απίστευτα σημαντικά, μας κρατούν ζωντανούς. Μας καλύπτουν σε μια αόρατη πανοπλία που αποτρέπει περιβαλλοντικές επιθέσεις ώστε να μένουμε υγιείς. Πέπτουν την τροφή μας, παράγουν τις βιταμίνες μας, εκπαιδεύουν το ανοσοποιητικό μας σύστημα για να κρατά τα κακά μικρόβια έξω. Κάνουν λοιπόν όλα αυτά τα καταπληκτικά πράγματα που μας βοηθούν και είναι απαραίτητα για να μας κρατάνε ζωντανούς, και δεν συνειδητοποιούμε τίποτα γι' αυτό. Αντίθετα συνήθως ακούμε ότι κάνουν πολλά τρομακτικά πράγματα. Έτσι, υπάρχουν όλων των ειδών τα βακτήρια στη Γη που δεν έχουν καμμία δουλειά να βρίσκονται μέσα ή πάνω σας, σε καμμία περίπτωση, και αν είναι, σας προκαλούν φοβερές ασθένειες.
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.
Κι έτσι, το ερώτημα για το εργαστήριό μου είναι, αν θέλετε να σκέφτεστε όλα τα καλά πράγματα, ή όλα τα κακά πράγματα που κάνουν τα βακτήρια. Το ερώτημα που είχαμε είναι πώς είναι ικανά να κάνουν οτιδήποτε; Εδώ που τα λέμε είναι απίστευτα μικρά, πρέπει να έχεις μικροσκόπιο για να τα δεις. Ζουν αυτή τη σχετικά βαρετή ζωή όπου μεγαλώνουν και διαιρούνται, και πάντα θεωρούνταν ακοινώνητοι, απομονωμένοι οργανισμοί. Έτσι μας φαινόταν ότι είναι πολύ μικροί για να έχουν επίδραση στο περιβάλλον αν απλά ενεργούν το καθένα χωριστά. Κι έτσι θέλαμε να σκεφτούμε αν μπορούσε να υπάρχει ένας διαφορετικός τρόπος που ζουν τα βακτήρια.
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.
Η ένδειξη γι' αυτό ήρθε από ένα άλλο θαλάσσιο βακτήριο, που λέγεται Vibrio fischeri. Αυτό που βλέπετε στη διαφάνεια είναι κάποιος από το εργαστήριό μου που κρατάει ένα δοχείο υγρής καλλιέργειας ενός βακτηρίου, ενός άκακου όμορφου βακτηρίου που προέρχεται από τον ωκεανό, και ονομάζεται Vibrio fischeri. Το βακτήριο αυτό έχει την ξεχωριστή ιδιότητα να παράγει φως, ή αλλιώς, βιοφωταύγεια, όπως παράγουν φως οι πυγολαμπίδες. Δεν κάνουμε τίποτε σ' αυτά εδώ τα κύτταρα. Απλά πήραμε τη φωτογραφία σβήνοντας τα φώτα στο δωμάτιο, και βλέπουμε αυτό.
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.
Το πραγματικά ενδιαφέρον για μας, δεν ήταν το ότι τα βακτήρια παράγουν φως, αλλά το πότε τα βακτήρια παράγουν φως. Παρατηρήσαμε ότι όταν τα βακτήρια ήταν μόνα τους, όταν βρίσκονταν σε αραιό διάλυμα, δεν παρήγαγαν φως. Αλλά όταν έφταναν σε έναν συγκεκριμένο αριθμό κυττάρων όλα τα βακτήρια άναβαν το φως ταυτόχρονα. Το ερώτημα που είχαμε είναι πώς μπορούν τα βακτήρια, αυτοί οι πρωτόγονοι οργανισμοί, να καταλάβουν τη διαφορά του να είναι μόνα τους, ή να βρίσκονται σε κοινότητα, και τότε κάνουν κάτι όλα μαζί. Αυτό που ανακαλύψαμε είναι ότι ο τρόπος που το κάνουν αυτό είναι συνομιλώντας μεταξύ τους, και συνομιλούν σε μια χημική γλώσσα.
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,
Αυτό τώρα υποτίθεται ότι είναι το βακτηριακό μου κύτταρο. Όταν είναι μόνο του δεν παράγει καθόλου φως. Αλλά, το μόνο που κάνει είναι να παράγει και να εκκρίνει μικρά μόρια που μπορείτε να τα θεωρήσετε ορμόνες, και αυτές είναι τα κόκκινα τρίγωνα και όταν τα βακτήρια είναι μόνα τους τα μόρια απλά πλέουν μακριά κι έτσι δεν έχει φως. Αλλά όταν τα βακτήρια μεγαλώνουν και διπλασιάζονται και συμμετέχουν όλα στο να παράγουν αυτά τα μόρια, το μόριο - η εξωκυτταρική ποσότητα αυτού του μορίου - αυξάνεται σε αναλογία με τον αριθμό κυττάρων. Και όταν το μόριο φτάσει μια ορισμένη ποσότητα, ειδοποιεί τα βακτήρια πόσοι γείτονες υπάρχουν, αναγνωρίζουν αυτό το μόριο και όλα τα βακτήρια ανάβουν το φως συγχρόνως. Έτσι λειτουργεί η βιοφωταύγεια -- συνομιλούν με αυτές τις χημικές λέξεις.
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.
Ο λόγος για τον οποίο το Vibrio fischeri το κάνει αυτό, εξηγείται από τη βιολογία. Άλλη μια πρόσθετη ιδιότητα για τα ζώα του ωκεανού, το Vibrio fischeri, ζει μέσα σ' αυτό το καλαμάρι. Αυτό που βλέπετε είναι το Κόλουρο καλαμάρι της Χαβάης, γυρισμένο από τη ραχιαία του όψη, ελπίζω ότι διακρίνετε αυτούς τους δύο λαμπερούς λοβούς οι οποίοι φιλοξενούν τα κύτταρα του Vibrio fischeri. Ζουν εκεί μέσα, σε μεγάλους κυτταρικούς πληθυσμούς το μόριο βρίσκεται εκεί και παράγουν φως. Ο λόγος για τον οποίο το καλαμάρι είναι πρόθυμο να ανεχθεί αυτά τα διαολάκια, είναι επειδή χρειάζεται το φως. Αυτή η συμβίωση λειτουργεί επειδή αυτό το μικρό καλαμάρι ζει έξω από τις ακτές της Χαβάης, σε ρηχά νερά στο ύψος του γόνατου. Το καλαμάρι είναι νυκτόβιο, έτσι κατά τη διάρκεια της ημέρας θάβεται στην άμμο και κοιμάται, όμως έπειτα τη νύχτα πρέπει να βγει για να κυνηγήσει. Τις φωτεινές, έναστρες ή φεγγαρόφωτες νύχτες αυτό το φως μπορεί να διαπερνά το νερό στο βάθος που ζει το καλαμάρι, αφού είναι όλο κι όλο 65 εκατοστά. Το καλαμάρι έχει αναπτύξει ένα κλείστρο που μπορεί να ανοίγει και να κλείνει πάνω από αυτό το εξειδικευμένο όργανο που φιλοξενεί τα βακτήρια. Έπειτα έχει αισθητήρες στην πλάτη του ώστε να αισθάνεται πόσο φυσικό φως δέχεται σε εκείνο το σημείο. Ανοίγει και κλείνει το κλείστρο έτσι ώστε η ποσότητα φωτός που παράγεται κάτω από το σώμα του -- αυτή που παράγεται από το βακτήριο -- ταιριάζει ακριβώς με την ποσότητα του φωτός που χτυπά στην πλάτη του, έτσι ώστε το καλαμάρι δεν παράγει σκιά. Στην πραγματικότητα χρησιμοποιεί το φως από τα βακτήρια για να εξισορροπήσει τον φωτισμό του, ως ένα αντιθηρευτικό μέσον έτσι ώστε οι θηρευτές να μην μπορούν να δουν τη σκιά του, ούτε να υπολογίσουν την τροχιά του και να μην το τρώνε. Αυτό μοιάζει με βομβαρδιστικό Stealth του ωκεανού.
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.
(Γέλια)
(Laughter)
Όμως εάν το σκεφτείτε, το καλαμάρι έχει ένα τρομερό πρόβλημα, επειδή έχει αυτήν την πυκνή καλλιέργεια βακτηρίων που δεν μπορεί να συντηρήσει. Έτσι, αυτό που συμβαίνει κάθε πρωί, όταν βγει ο ήλιος, είναι ότι το καλαμάρι πηγαίνει για ύπνο, θάβεται στην άμμο κι έχει μια αντλία, η οποία είναι συγχρονισμένη με τον κιρκάδιο ρυθμό του. Όταν βγαίνει ο ήλιος, αντλεί προς τα έξω περίπου το 95% των βακτηρίων. Τώρα τα βακτήρια αραιώνουν και το μικρό μόριο-ορμόνη χάνεται, έτσι ώστε δεν παράγουν φως -- όμως φυσικά το καλαμάρι δεν νοιάζεται γι' αυτό. Κοιμάται μέσα στην άμμο. Καθώς η μέρα προχωράει, τα βακτήρια αναπαράγονται, εκκρίνουν το μόριο και τότε το φως επανέρχεται κατά τη νύχτα, όταν ακριβώς το καλαμάρι το χρειάζεται.
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.
Αρχικά κατανοήσαμε πώς το βακτήριο το κάνει αυτό, όμως έπειτα εφαρμόσαμε τα εργαλεία της μοριακής βιολογίας για να κατανοήσουμε ακριβώς το μηχανισμό. Και βρήκαμε -- λοιπόν έστω και πάλι πως αυτό είναι το βακτηριακό μου κύτταρο -- είναι πως το Vibrio fischeri διαθέτει μια πρωτεΐνη -- το κόκκινο τετράγωνο -- είναι ένα ένζυμο που παράγει αυτό το μικρό ορμονικό μόριο -- το κόκκινο τρίγωνο. Κατόπιν, καθώς τα κύτταρα αναπτύσσονται, όλα εκκρίνουν αυτό το μόριο στο περιβάλλον, έτσι ώστε υπάρχουν πολλά απ' αυτά εκεί. Τα βακτήρια έχουν επίσης έναν υποδοχέα στην κυτταρική τους επιφάνεια που ταιριάζει με αυτό το μόριο όπως η κλειδαριά με το κλειδί. Είναι ακριβώς όπως οι υποδοχείς της επιφάνειας των δικών σας κυττάρων. Όταν το μόριο αυξάνεται μέχρι μία συγκεκριμένη ποσότητα -- η οποία σχετίζεται με τον αριθμό των κυττάρων -- συνδέεται με τον υποδοχέα και η πληροφορία εισέρχεται στα κύτταρα και τους λέει να θέσουν σε λειτουργία την συλλογική αυτή συμπεριφορά, του να παράγουν φως.
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.
Ο λόγος για τον οποίο αυτό είναι ενδιαφέρον, είναι επειδή την προηγούμενη δεκαετία ανακαλύψαμε ότι δεν πρόκειται απλά για μία ανωμαλία αυτού του γελοίου, λαμπερού βακτηρίου που ζει στους ωκεανούς -- αλλά όλα τα βακτήρια έχουν τέτοια συστήματα. Έτσι τώρα κατανοούμε ότι όλα τα βακτήρια συνομιλούν μεταξύ τους. Παράγουν χημικές λέξεις, αναγνωρίζουν τις λέξεις αυτές και εκκινούν συλλογικές συμπεριφορές που είναι επιτυχείς, μόνο όταν όλα τα κύτταρα συμμετέχουν ομόφωνα. Σ' αυτό έχουμε δώσει ένα φανταχτερό όνομα, το λέμε αίσθηση απαρτίας. Ψηφίζουν μέσω των χημικών αυτών ψήφων, οι ψήφοι καταμετρώνται κι έπειτα όλοι ανταποκρίνονται στο αποτέλεσμα.
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.
Αυτό που είναι σημαντικό στη σημερινή ομιλία είναι πως γνωρίζουμε ότι υπάρχουν εκατοντάδες συμπεριφορών που τα βακτήρια πραγματοποιούν με συλλογικό τρόπο. Όμως αυτό που είναι για σας το πιο σημαντικό, είναι η μολυσματικότητα. Μη φανταστείτε ότι κανά δυο βακτήρια μπαίνουν μέσα σας και αρχίζουν να εκκρίνουν κάποιες τοξίνες -- είσαστε τεράστιοι, αυτό δεν θα σας επηρέαζε καθόλου. Είστε θεόρατοι. Τώρα καταλαβαίνουμε ότι αυτό που κάνουν, είναι ότι μπαίνουν μέσα σας, περιμένουν και αρχίζουν να αναπτύσσονται, καταμετρώνται μεταξύ τους, μέσω αυτών των μικρών μορίων, και αναγνωρίζουν πότε έχουν φτάσει στον κατάλληλο αριθμό κυττάρων όπου εάν όλα τα βακτήρια μαζί εξαπολύσουν τη μολυσματική τους επίθεση, θα επιτύχουν να υπερνικήσουν έναν τεράστιο ξενιστή. Τα βακτήρια πάντοτε ελέγχουν την παθογένειά τους χάρη στην αίσθηση απαρτίας. Έτσι λειτουργεί αυτό.
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.
Δοκιμάσαμε επίσης να δούμε τι είναι αυτά τα μόρια -- τα κόκκινα τρίγωνα στις προηγούμενες διαφάνειες. Αυτό είναι το μόριο του Vibrio fischeri. Αυτή είναι η λέξη με την οποία συνομιλεί. Έτσι, αρχίσαμε να ερευνούμε άλλα βακτήρια, κι εδώ βλέπετε μια πρόχειρη καταγραφή των μορίων που ανακαλύψαμε. Αυτό που ελπίζω ότι βλέπετε είναι ότι αυτά τα μόρια συσχετίζονται. Το αριστερό τμήμα κάθε μορίου είναι ταυτόσημο σε κάθε είδος βακτηρίου. Όμως το δεξί τμήμα του μορίου διαφέρει κατά τι από είδος σε είδος. Κάτι τέτοιο προσφέρει λεπτοφυείς εξειδικεύσεις ανά είδος σε κάθε γλώσσα. Κάθε μόριο ταιριάζει στον αντίστοιχο υποδοχέα κι όχι σε κάποιον άλλον. Έτσι έχουμε ιδιωτικές, μυστικές συνομιλίες. Αυτές οι συνομιλίες προορίζονται για επικοινωνία μέσα στο ίδιο είδος. Κάθε βακτήριο χρησιμοποιεί ένα συγκεκριμένο μόριο, που αποτελεί τη γλώσσα του, και του επιτρέπει να καταμετρά τα όμοιά του.
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.
Αφού φτάσαμε μέχρι εδώ σκεφτήκαμε πως αρχίσαμε να κατανοούμε ότι τα βακτήρια έχουν τέτοιες κοινωνικές συμπεριφορές. Όμως στην πραγματικότητα σκεφτόμασταν ότι τον περισσότερο χρόνο τα βακτήρια δεν ζουν απομονωμένα, αλλά μέσα σε απίστευτα μίγματα, μαζί με εκατοντάδες ή χιλιάδες άλλα είδη βακτηρίων. Αυτό απεικονίζεται σε τούτη τη διαφάνεια. Αυτό είναι το δέρμα σας. Αυτή είναι μια εικόνα -- μια μικρογραφία του δέρματός σας. Παντού στο σώμα σας, η εικόνα είναι παρόμοια, και ελπίζω να βλέπετε ότι υπάρχουν όλων των ειδών τα βακτήρια εκεί. Έτσι αρχίσαμε να σκεφτόμαστε, εάν υπάρχει επικοινωνία μεταξύ των βακτηρίων, τέτοια ώστε να καταμετρούν τους γείτονές τους. Δεν αρκεί να μπορείς να συνομιλείς μόνο με το δικό σου είδος. Θα πρέπει να υπάρχει τρόπος να καταγράψεις και τα υπόλοιπα βακτήρια του πληθυσμού.
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
Έτσι επιστρέψαμε στη μοριακή βιολογία και αρχίσαμε να μελετούμε διάφορα βακτήρια, και αυτό που βρήκαμε είναι ότι στην πραγματικότητα τα βακτήρια είναι πολύγλωσσα. Όλα έχουν ένα εξειδικευμένο σύστημα για το είδος τους -- έχουν δηλαδή ένα μόριο που σημαίνει "εγώ". Αλλά παράλληλα μ' αυτό, λειτουργεί ένα δεύτερο σύστημα που έχουμε ανακαλύψει, το οποίο είναι γενικότερο. Έτσι, έχουν ένα δεύτερο ένζυμο που παράγει ένα δεύτερο σήμα που διαθέτει το δικό του υποδοχέα, κι αυτό το μόριο είναι η γλώσσα συναλλαγής των βακτηρίων. Χρησιμοποιείται από όλα τα είδη βακτηρίων και είναι η γλώσσα επικοινωνίας μεταξύ των ειδών. Αυτό που συμβαίνει είναι ότι τα βακτήρια μπορούν να καταμετρούν πόσα "εγώ" και πόσα "εσύ" υπάρχουν. Εισάγουν μέσα τους αυτήν την πληροφορία, κι αποφασίζουν ποιες λειτουργίες να πραγματοποιήσουν αναλόγως του ποιος είναι μειοψηφία και ποιος πλειοψηφία σε κάθε δεδομένο πληθυσμό.
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.
Τότε επιστρέψαμε στη χημεία, και ανακαλύψαμε πως αυτό το γενικό μόριο είναι -- απεικονίζεται με τα ροζ οβάλ σχήματα στην τελευταία διαφάνεια. Είναι ένα μικρό μόριο πέντε ατόμων άνθρακα. Το σημαντικό που μάθαμε είναι ότι κάθε βακτήριο διαθέτει ακριβώς το ίδιο ένζυμο και παράγει ακριβώς το ίδιο μόριο. Έτσι όλα χρησιμοποιούν αυτό το μόριο για επικοινωνία μεταξύ των ειδών. Πρόκειται για τη βακτηριακή Εσπεράντο.
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.
(Γέλια)
(Laughter)
Αφού φτάσαμε ως εκεί, αρχίσαμε να μαθαίνουμε ότι τα βακτήρια συνομιλούν μεταξύ τους, με αυτή τη χημική γλώσσα. Όμως αρχίσαμε επίσης να σκεφτόμαστε, πως ίσως να υπάρχει κάτι που μπορούμε να εφαρμόσουμε στην πράξη. Σας έχω πει πως τα βακτήρια παρουσιάζουν όλες αυτές τις κοινωνικές συμπεριφορές, πως επικοινωνούν μέσω αυτών των μορίων. Φυσικά, σας είπα επίσης πως ένα από τα σημαντικότερα πράγματα που κάνουν είναι η έναρξη της παθογένειας με τη χρήση της αίσθησης απαρτίας. Σκεφτήκαμε: "Τι θα συμβεί εάν κάνουμε αυτά τα βακτήρια να μην μπορούν να μιλήσουν ή να ακούσουν;" Δεν θα μπορούσε αυτό να λειτουργήσει ως νέα γενιά αντιβιοτικών;
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?
Φυσικά, έχετε ακούσει και ήδη γνωρίζετε, ότι μας τελειώνουν τα αντιβιοτικά. Τα βακτήρια είναι πλέον απίστευτα πολυανθεκτικά, και αυτό επειδή όλα τα αντιβιοτικά που χρησιμοποιούμε, σκοτώνουν τα βακτήρια, είτε διασπώντας την κυτταρική τους μεμβράνη, είτε εμποδίζοντας τα βακτήρια να αντιγράψουν το DNA τους. Σκοτώνουμε τα βακτήρια με τα παραδοσιακά αντιβιοτικά και αυτό προκαλεί επιλογή υπέρ των ανθεκτικών μεταλλαγμάτων. Έτσι πλέον έχουμε φυσικά αυτό το παγκόσμιο πρόβλημα των λοιμωδών νοσημάτων. Σκεφτήκαμε ωστόσο, τι θα γινόταν εάν μπορούσαμε να τροποποιήσουμε τη συμπεριφορά τους, να κάνουμε απλώς τα βακτήρια να μη μπορούν να συνομιλούν, ούτε να καταμετρήσουν, και δεν θα μπορούν να εξαπολύσουν τη μολυσματικότητά τους.
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?
Έτσι, αυτό ακριβώς κάναμε, ακολουθήσαμε κατά κάποιο τρόπο δύο στρατηγικές. Κατά την πρώτη στοχεύσαμε το σύστημα ενδοεπικοινωνίας του είδους. Έτσι, φτιάξαμε μόρια που προσομοιάζουν με τα αληθινά -- αυτά που είδατε -- αλλά διαφέρουν λιγάκι. Έτσι, αυτά συνδέονται με τους αντίστοιχους υποδοχείς, και μπλοκάρουν την αναγνώριση του πραγματικού σήματος. Στοχεύοντας το κόκκινο σύστημα, αυτό που μπορούμε να κάνουμε είναι να φτιάξουμε μόρια κατά της αίσθησης απαρτίας, εξειδικευμένα ανά είδος ή ανά ασθένεια. Επίσης, κάναμε το ίδιο πράγμα με το ροζ σύστημα. Πήραμε αυτό το κοινό μόριο και το γυρίσαμε λιγάκι έτσι ώστε να κατασκευάσουμε ανταγωνιστές του συστήματος επικοινωνίας μεταξύ των ειδών. Η ελπίδα είναι ότι αυτά θα χρησιμοποιηθούν σε αντιβιοτικά ευρέως φάσματος που θα λειτουργούν εναντίον όλων των βακτηρίων.
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.
Τελειώνοντας, θα σας δείξω τη στρατηγική. Σε αυτήν χρησιμοποιώ το ενδοειδικό μόριο, όμως η λογική είναι ακριβώς η ίδια. Αυτό που γνωρίζουμε είναι ότι όταν το βακτήριο μπει μέσα στο ζώο, στην περίπτωσή μας, σ' ένα ποντίκι, δεν ξεκινά άμεσα την λοίμωξη. Εγκαθίσταται, αρχίζει ν' αναπτύσσεται, κατόπιν να εκκρίνει τα μόρια της αίσθησης απαρτίας. Αναγνωρίζει πότε υπάρχουν αρκετά βακτήρια που τώρα πρόκειται να εξαπολύσουν την επίθεσή τους, και το ζώο πεθαίνει. Αυτό που μπορέσαμε να κάνουμε είναι να χορηγήσουμε αυτούς τους λοιμωγόνους παράγοντες, όμως να τους χορηγήσουμε σε συνδυασμό με τα μόρια κατά της αίσθησης απαρτίας -- έτσι ώστε αυτά τα μόρια που μοιάζουν κατά κάποιο τρόπο με τα πραγματικά αλλά διαφέρουν ελαφρώς, πράγμα που απεικόνισα στη διαφάνεια. Αυτό που τώρα γνωρίζουμε είναι ότι εάν χορηγήσουμε στο ζώο κάποιο παθογόνο βακτήριο -- ένα πολυανθεκτικό παθογόνο βακτήριο -- ταυτόχρονα με το μόριό μας κατά της αίσθησης απαρτίας, στην πραγματικότητα, το ζώο επιβιώνει.
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.
Πιστεύουμε ότι αυτή είναι η επόμενη γενιά αντιβιοτικών που θα μας κάνει ν' αντιμετωπίσουμε, τουλάχιστον αρχικά, το μεγάλο πρόβλημα της ανθεκτικότητας. Ελπίζω να έχετε κατανοήσει, ότι τα βακτήρια συνομιλούν μεταξύ τους, χρησιμοποιώντας χημικές ουσίες ως λέξεις, έχουν ένα απίστευτα περίπλοκο χημικό λεξικό, για το οποίο μόλις τώρα έχουμε αρχίσει να μαθαίνουμε. Φυσικά, αυτό επιτρέπει στα βακτήρια να είναι πολυκύτταρα. Έτσι, πιστά στο πνεύμα του TED, κάνουν πράγματα όλα μαζί γιατί αυτό κάνει τη διαφορά. Αυτό που συμβαίνει είναι ότι τα βακτήρια παρουσιάζουν αυτές τις συλλογικές συμπεριφορές και μπορούν να πραγματοποιούν λειτουργίες που δεν θα μπορούσαν ποτέ να επιτύχουν δρώντας απλά ως μεμονομένα άτομα.
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.
Ελπίζω ότι θα μπορούσα περαιτέρω να επιχειρηματολογήσω ότι πρόκειται για την επινόηση της πολυκυτταρικότητας. Τα βακτήρια υπάρχουν στη Γη για δισεκατομμύρια χρόνια. Οι άνθρωποι -- περίπου διακόσιες χιλιάδες χρόνια. Πιστεύουμε ότι τα βακτήρια έθεσαν τους κανόνες της λειτουργίας των πολυκύτταρων οργανισμών. Πιστεύουμε ότι μελετώντας τα βακτήρια, θα καταστούμε ικανοί να κατανοήσουμε βαθύτερα την πολυκυτταρικότητα του ανθρώπινου σώματος Γνωρίζουμε ότι οι αρχές και οι κανόνες, εάν τα κατανοήσουμε σε τέτοιου είδους πρωτόγονους οργνανισμούς, υπάρχει ελπίδα ότι θα μπορούν να εφαρμοστούν και σε άλλες ανθρώπινες ασθένειες, αλλά και σε ανθρώπινες συμπεριφορές. Ελπίζω ότι αυτό που μάθατε σήμερα είναι πως τα βακτήρια μπορούν να διακρίνουν τον εαυτό τους από τα υπόλοιπα. Χρησιμοποιώντας αυτά τα δύο μόρια, μπορούν να πουν "εγώ" κι "εσύ". Και πάλι φυσικά, αυτό κάνουμε κι εμείς, σε μοριακό επίπεδο, αλλά και σε επίπεδο εξωτερικών εκδηλώσεών μας, αλλά εγώ σκέφτομαι κυρίως τη μοριακή πλευρά.
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.
Αυτό ακριβώς συμβαίνει μέσα στο σώμα σας. Τα καρδιακά σας κύτταρα ή τα κύτταρα των νεφρών σας δεν αναμιγνύονται καθημερινά μεταξύ τους κι αυτό συμβαίνει επειδή υπάρχει όλη αυτή η χημεία που παρεμβαίνει, αυτά τα μόρια που λένε στα κύτταρα σε ποια κυτταρική ομάδα ανήκουν και ποιες πρέπει να είναι οι λειτουργίες τους. Και πάλι, πιστεύουμε ότι αυτό το επινόησαν τα βακτήρια και εσείς απλά έχετε αναπτύξει λίγα περισσότερα χημικά σήματα, άλλα όλες οι βασικές ιδέες βρίσκονται μέσα στα απλά συστήματα που μελετάμε.
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.
Τελικά, θα επαναλάβω και πάλι ότι υπάρχει και η πρακτική πλευρά κι έτσι κατασκευάσαμε αυτά τα μόρια κατά της αίσθησης απαρτίας, τα οποία αναπτύσσονται ως νέα είδη θεραπευτικών ουσιών. Όμως έπειτα, για να τελειώσουμε διαφημίζοντας λίγο τα καλά και θαυματουργά βακτήρια που ζουν στη Γη, κατασκευάσαμε επίσης πρόδρομα μόρια αίσθησης απαρτίας. Έτσι, στοχεύσαμε τούτα τα συστήματα, για να κάνουμε τα μόρια να λειτουργούν καλύτερα. Θυμηθείτε ότι έχετε δεκαπλάσια ή περισσότερα βακτηριακά κύτταρα μέσα σας κι επάνω σας, που σας κρατούν υγιείς. Προσπαθήσαμε επίσης να ενισχύσουμε τη συνομιλία μεταξύ των βακτηρίων που ζουν μαζί σας, ως αμοιβαίοι συμβιώτες, ελπίζοντας να σας κάνουμε πιο υγιείς, βελτιώνοντας την επικοινωνία τους, έτσι ώστε τα βακτήρια να κάνουν αυτά που εμείς θέλουμε, καλύτερα απ' ό,τι θα τα έκαναν από μόνα τους.
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.
Τέλος, θα ήθελα να σας δείξω τη "συμμορία" μου στο πανεπιστήμιο του Πρίνστον, στο Νιου Τζέρσεϋ. Όλα αυτά για τα οποία σας μίλησα, ανακαλύφθηκαν από κάποιον σ' αυτήν τη φωτογραφία. Ελπίζω πως όταν μαθαίνετε πράγματα, όπως για το πώς λειτουργεί ο φυσικός κόσμος -- θέλω να πω ότι όποτε διαβάζετε κάτι στις εφημερίδες ή ακούτε κάποιον να μιλά για κάτι περίεργο στον φυσικό κόσμο, αυτό ανακαλύφθηκε από ένα νέο παιδί. Η επιστήμη κινείται από αυτή την ηλικιακή ομάδα. Όλοι αυτοί οι άνθρωποι είναι μεταξύ 20 και 30 ετών και αποτελούν τον κινητήριο μοχλό της επιστημονικής ανακάλυψης αυτής της χώρας. Είναι στ' αλήθεια τύχη να δουλεύει κανείς με τούτη την ηλικιακή ομάδα. Όλο και μεγαλώνω και αυτοί βρίσκονται πάντα στην ίδια ηλικία, είναι μια δουλειά που μ' ευχαριστεί τρελά. Θα ήθελα να σας ευχαριστήσω που με καλέσατε εδώ. Ήταν μεγάλο δώρο για μένα το να έρθω σ' αυτό το συνέδριο.
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,
(Χειροκροτήματα)
it's a big treat for me to get to come to this conference.
(Applause)
Ευχαριστώ
Thanks.
(Χειροκροτήματα)
(Applause)