Haben Sie gewusst, dass es mehr Bakterien in unserem Körper gibt als Sterne in der Milchstraße? Das faszinierende bakterielle Universum in unserem Inneren ist wesentlich für unsere Gesundheit. Die Technik entwickelt sich so rasant, dass wir Bakterien inzwischen wie Computer programmieren können.
You may not realize this, but there are more bacteria in your body than stars in our entire galaxy. This fascinating universe of bacteria inside of us is an integral part of our health, and our technology is evolving so rapidly that today we can program these bacteria like we program computers.
Dieses Diagramm hier sieht eher wie eine Art Spielplan aus, aber es ist der Entwurf meines ersten Bakterienprogramms. Ähnlich wie bei Computerprogrammen können wir verschiedene Abläufe in die DNA von Bakterien schreiben. Dieses Programm hier produziert fluoreszierende Proteine in einem rhythmischen Muster, wobei ein kleines Molekül die Verständigung und Synchronisation zwischen Bakterien ermöglicht, wie Sie hier sehen können. Diese wachsende Bakterienkolonie ist etwa so breit wie ein Menschenhaar. Man kann es nicht sehen, aber unser genetisches Programm beauftragt jede dieser Bakterien, kleine Moleküle zu produzieren. Die Moleküle bewegen sich zwischen tausenden einzelnen Bakterien und schalten sie an und aus. In dieser Größenordnung synchronisieren die Bakterien ganz gut, aber weil sich das synchronisierende Molekül nicht schnell genug ausbreitet, entstehen in größeren Bakterienkolonien Wellen zwischen weit entfernten Bakterien. Hier sehen Sie diese Wellen von rechts nach links wandern.
Now, the diagram that you see here, I know it looks like some kind of sports play, but it is actually a blueprint of the first bacterial program I developed. And like writing software, we can print and write DNA into different algorithms and programs inside of bacteria. What this program does is produces fluorescent proteins in a rhythmic fashion and generates a small molecule that allows bacteria to communicate and synchronize, as you're seeing in this movie. The growing colony of bacteria that you see here is about the width of a human hair. Now, what you can't see is that our genetic program instructs these bacteria to each produce small molecules, and these molecules travel between the thousands of individual bacteria telling them when to turn on and off. And the bacteria synchronize quite well at this scale, but because the molecule that synchronizes them together can only travel so fast, in larger colonies of bacteria, this results in traveling waves between bacteria that are far away from each other, and you can see these waves going from right to left across the screen.
Unser genetisches Programm beruht auf dem natürlichen Phänomen des "Quorum Sensing", das koordiniertes und manchmal virulentes Verhalten verursacht, sobald Bakterien eine kritische Dichte erreichen. Dieses Video zeigt Quorum Sensing in einer wachsenden Bakterienkolonie, die erst zu leuchten beginnt, wenn sie eine hohe oder kritische Dichte erreicht. Unser genetisches Programm erstellt rhythmische Muster aus fluoreszierenden Proteinen, während die Kolonie nach außen wächst. Wir nennen dieses Video und Experiment "Supernova", weil es an einen explodierenden Stern erinnert.
Now, our genetic program relies on a natural phenomenon called quorum sensing, in which bacteria trigger coordinated and sometimes virulent behaviors once they reach a critical density. You can observe quorum sensing in action in this movie, where a growing colony of bacteria only begins to glow once it reaches a high or critical density. Our genetic program continues producing these rhythmic patterns of fluorescent proteins as the colony grows outwards. This particular movie and experiment we call The Supernova, because it looks like an exploding star.
Das sind zwar schöne Muster, doch kann man Bakterien auch sinnvoller programmieren? Ich begann Bakterien zu programmieren, die Krankheiten wie Krebs im Körper erkennen und heilen. Bakterien können interessanterweise innerhalb von Tumoren wachsen. Meist kann das Immunsystem nämlich nicht in einen Tumor eindringen. Bakterien finden Tumoren und nutzen sie als sicheren Ort, um darin zu wachsen. Wir testeten probiotische Bakterien, unbedenkliche und gesundheitsfördernde Bakterien, und verabreichten sie oral an Mäuse, in denen sie sich selektiv nur in Lebertumoren vermehrten. Um Probiotika in der Praxis leicht im Körper nachzuweisen, und damit auch den Tumor, programmierten wir Bakterien, die ein Signal in den Urin absondern. Genauer gesagt produzieren die Bakterien ein Molekül, das den Urin verfärbt, wenn Krebs vorhanden ist. Wir haben bewiesen, dass diese Methode sensitiv und speziell Leberkrebs erkennt, was normalerweise sehr schwierig ist.
Now, besides programming these beautiful patterns, I wondered, what else can we get these bacteria to do? And I decided to explore how we can program bacteria to detect and treat diseases in our bodies like cancer. One of the surprising facts about bacteria is that they can naturally grow inside of tumors. This happens because typically tumors are areas where the immune system has no access, and so bacteria find these tumors and use them as a safe haven to grow and thrive. We started using probiotic bacteria which are safe bacteria that have a health benefit, and found that when orally delivered to mice, these probiotics would selectively grow inside of liver tumors. We realized that the most convenient way to highlight the presence of the probiotics, and hence, the presence of the tumors, was to get these bacteria to produce a signal that would be detectable in the urine, and so we specifically programmed these probiotics to make a molecule that would change the color of your urine to indicate the presence of cancer. We went on to show that this technology could sensitively and specifically detect liver cancer, one that is challenging to detect otherwise.
Da diese Bakterien nur in Tumoren leben, haben wir sie zusätzlich zur Krebserkennung auch zur Krebsbehandlung programmiert. Sie produzieren therapeutische Moleküle innerhalb des Tumors, die zur Verkleinerung bestehender Tumoren führen, indem wir Quorum-Sensing-Programme nutzen, wie im vorigen Video gezeigt.
Now, since these bacteria specifically localize to tumors, we've been programming them to not only detect cancer but also to treat cancer by producing therapeutic molecules from within the tumor environment that shrink the existing tumors, and we've been doing this using quorum sensing programs like you saw in the previous movies.
Stellen Sie sich vor, dass wir Krebs in Zukunft mit programmierten Probiotika erkennen und behandeln können, oder sogar andere Krankheiten. Die Möglichkeit, Bakterien zu programmieren, Leben zu programmieren,
Altogether, imagine in the future taking a programmed probiotic that could detect and treat cancer, or even other diseases. Our ability to program bacteria and program life
eröffnet der Krebsforschung neue Wege. In Zusammenarbeit mit dem Künstler Vik Muniz erstellten wir das Symbol des Universums aus Bakterien und Krebszellen, als Bildnis unserer Zukunftsvision. Mögen Schönheit und Einsatz dieses mikroskopischen Universums zu neuen kreativen Ansätzen in der Krebsforschung inspirieren.
opens up new horizons in cancer research, and to share this vision, I worked with artist Vik Muniz to create the symbol of the universe, made entirely out of bacteria or cancer cells. Ultimately, my hope is that the beauty and purpose of this microscopic universe can inspire new and creative approaches for the future of cancer research.
Danke.
Thank you.
(Applaus)
(Applause)