СЛУШАЯ БАКТЕРИИ | НАУКА | СМИТСОНОВСКИЙ - СТАТЬИ, НАУКА, НАША ПЛАНЕТА, 40 ЛЕТ

Бонни Басслер, ее ботинки сброшены, колени и носки ног прижаты к краю стола конференц-зала, с удивительным нетерпением наблюдает за тем, как исследователь в ее всемирно известной лаборатории микробиологии в Принстонском университете встает, чтобы представить свой последний экспериментальный эксперимент. результаты для других членов ее команды. Юньчжоу Вэй известен своими яркими выступлениями, и он не разочаровывает. На экране вспыхивают слайды актеров из его любимого телевизионного криминального сериала, и он начинает краткое, спортивное обсуждение уроков, которые ученые могут извлечь из шоу: доверяйте своим инстинктам! Но ищите доказательства тоже! Тогда возникает гораздо более насущный вопрос: какого телевизионного персонажа хотел бы сыграть Басслер? Гениальный поведенческий аналитик? Нет, нет, не «всезнайка», ворчит Баслер. Ну, как о чопорной и довольно судебно-антрополог? Нет, мнение знаменитого ученого составлено. «Я хочу быть ею», - говорит Басслер, указывая на специального агента Дженнифер «JJ» Жаро, скандинавскую бомбу в программе CBS «Преступные умы». Дело закрыто, говорит Басслер. «Давайте вернемся к молекулам сейчас».

Характер Jareau замечательно подходит Bassler. Jareau - человек, отвечающий за связь в ее группе, медиа-связь между ФБР и внешним миром. 48-летняя Басслер добилась невероятных успехов в своей карьере, завоевывая лавры, такие как награда гениального фонда Макартура, членство в Национальной академии наук, желанное место в Медицинском институте Говарда Хьюза и президентство Американского общества микробиологов. И все это можно проследить до ее глубокой признательности за силу общения. Обмен сообщениями - это среда, в которой сияет Басслер.

Басслер находится в авангарде быстро растущей области «обнаружения кворума» - изучения того, как микробы общаются друг с другом, когда они создают огромную взаимосвязанную инфраструктуру жизни, от которой зависят наши макробы. В последние годы она и другие микробиологи обнаружили, что бактерии не являются скучными солипсистами с давней репутацией, которые просто сосут пищу, удваивают ее размер, делят пополам и повторяют до бесконечности, ничего не делая, кроме их тупой, одноклеточной самости. Вместо этого бактерии оказываются оригинальными газетчиками, приклеенными к их мобильным телефонам и линиям интернет-чата. Они разговаривают на сложном химическом языке, используя молекулы, чтобы предупредить друг друга о том, кто там, в каком количестве и как лучше себя вести, учитывая нынешнюю компанию. Бактерии проверяют свои ряды, они считают головы, и если толпа достаточно велика и единомышленников - если есть кворум - они действуют. Посредством химической сигнализации крошечные бактериальные клетки могут объединяться и выполнять работу гигантов. Они могут компостировать слона, оплодотворять дубовый лес или освещать океаны в жутком свете биолюминесценции. Некоторые бактериальные сговоры гораздо менее очаровательны и наносят реальный вред. Молекулярная коммуникация позволяет 600 различным видам бактерий организоваться в слизистую зубную бляшку, которая, например, приводит к кариесу, и, вероятно, позволяет противным патогенам, вызывающим стрептококковую пневмонию или бубонную чуму, вовремя высвобождать свои токсины для максимального воздействия на их человеческие хозяева.

Расшифровывая нюансы бактериального общения, биологи узнали, что лексиконы бывают двух разных стилей: частный и публичный. Каждый вид бактерий имеет свой собственный диалект, молекулярную подпись, которую могут понять только другие в своем роде. Басслер обрела известность, обнаружив, что бактерии также распространяются во втором, более общепризнанном наборе сигналов, которые, похоже, служат бактериальным эсперанто. «Бактерии могут разговаривать друг с другом», - говорит она. «Они могут не только говорить, но и многоязычны».

«Бонни - чемпион бактериальных разговоров», - говорит Ричард Лосик, микробиолог из Гарвардского университета. «Это поле, которое восходит к 1970-м годам, но она придала ему замечательный характер».

«Ее работа новаторская», - говорит Джо Хандельсман, микробиолог из Йельского университета. «Раньше мы думали о бактериальном общении как о чем-то особенном, но она действительно открыла возможность того, что межвидовое общение является большой частью истории о кворуме».

Достаточно забавно, что ученый, который помог раскрыть, что бактерии - это полиглот, - это она сама ... нет. «Что вы ожидаете?» - бормочет она. «Я американец! Я говорю по-английски!"

Наблюдение Басслера за микробными идиомами представляет не только академический интерес. Работа может оказать влияние на то, что Центры по контролю и профилактике заболеваний называют одной из «самых острых проблем общественного здравоохранения» в мире сегодня: устойчивость к антибиотикам. В последние годы чрезмерное употребление таких препаратов, как пенициллин, для лечения ушных раковин у детей или для прививки скота, скопившегося вместе на фабричных фермах, породило появление «супер-жуков», бактериальных штаммов, способных избавиться от практически любого из общепринятых антибиотиков.

Басслер и ее коллеги всерьез надеются, что их понимание схемы определения кворума в конечном итоге приведет к новому, более безопасному поколению антибиотиков. Вместо того, чтобы пытаться убить бактерии напрямую, как это делают современные антибиотики - подход, который легко приводит к лекарственной устойчивости, - новые терапевтические средства просто заглушают молекулярные сообщения, которые побуждают бактерии вызывать заболевание. Басслер объясняет разницу между этими двумя подходами следующим образом: «Допустим, я - бактерия, а вы поражаете меня таким препаратом, как пенициллин, который проникает через бактериальную мембрану, но у меня случается мутация, которая делает меня невосприимчивым к этому. эффект выталкивания », - говорит она. «Не сомневайтесь, у меня будет преимущество в немедленном росте».

Но давайте представим, что вместо этого вы используете лекарство, чувствительное к кворуму, предназначенное для подавления бактериальной коммуникации, - продолжает она, - «а я бактерия с мутацией, которая делает меня невосприимчивым к блокатору». Отлично: я микроб, который пытаюсь связаться с моими друзьями, но из-за блокировщика никто вокруг меня не слушает. По ее словам, если вирулентность зависит от эффективного бактериального общения, моя одинокая маленькая мутация не даст мне никакого преимущества для роста: «Что хорошего мне это дает?»

Томас Сильхави, микробиолог из Принстона, возглавлявший комитет факультета, который нанял Басслера 16 лет назад («Я попал в бегство домой», говорит он о ее найме. «Я выбил его из парка»), относится к числу тех, у кого большие надежды для возможных дополнительных доходов от исследований по изучению кворума. «Конечно, это всегда большая, многомиллионная задача - превратить фундаментальные исследования в препарат, одобренный FDA», - говорит он. «Но я думаю, что есть реальный шанс, что этот подход сработает и даст нам новые инструменты для вмешательства в конкретные заболевания». Он приводит пример муковисцидоза, врожденного расстройства, при котором слизь накапливается в легких и содержит колонии бактерий, называемые Pseudomonas. Инфекции, которые обычные взрослые могли бы легко устранить, могут развиться у пациентов с муковисцидозом в течение многих лет, пока однажды хроническое заболевание не станет вирулентным и не сокрушит организм: неконтролируемая инфекция псевдомонад является основной причиной смерти среди людей с этим заболеванием. Ученые проследили начало вирулентности до высвобождения чувствительных к кворуму молекул, химических посланников, которые побуждают бактерии начать действовать как группа. Теоретически, говорит Силхави, лекарство, блокирующее псевдомональные призывы к хаосу, может оказаться бесценным при лечении разрушительного расстройства.

Басслер и другие исследователи идентифицировали ряд молекул, которые нарушают восприятие кворума в экспериментах с пробирками с псевдомонасами и бактериями холеры; пробные молекулы, по-видимому, защищают червей, подверженных воздействию вирулентных микробов. Басслер даже попробовал свои силы в разработке лекарств в новой компании несколько лет назад. Усилие провалилось, и она первая признает, что лекарство, основанное на подходе, вероятно, через десять или более лет. Тем не менее, возможность ее работы когда-нибудь перевести с лабораторной скамьи на тумбочку у кровати - часть ее постоянного вдохновения.

«Мы ученые, нам любопытно, как работает природа, но мы также делаем добро», - говорит она. «Прекрасно думать, что те же эксперименты, которые мы проводим, чтобы понять, как информация попадает в клетки, также могут иметь практическую выгоду».

Это солнечная суббота в Филадельфии, и на улице, в парке, где большинство людей могут выбрать. Тем не менее, лекционный зал в Свободном институте науки Вагнера с его тусклым янтарным освещением, деревянными стульями, сушеной рыбой-феном, человеческими черепами и другими безделушками в викторианском стиле полон людей, загипнотизированных женщиной, которая, кажется, неся свой кусочек солнца. Коммуникативные навыки Басслера не ограничиваются предсказанием блюд Петри. Она - динамо публичного оратора, который регулярно ошеломляет как профессиональную, так и непрофессиональную аудиторию, подобную этой, своими яркими описаниями микробной политики. «Она может быть очень харизматичной, но при этом достаточно умна, чтобы дать вам понять, что она серьезный ученый», - говорит Стивен Уинанс из Корнелльского университета. Люди любят ее сухой юмор и ее смесь веселья и дивного величия и настойчивого утверждения, что она всего лишь «самозванец», занимающийся «генетикой для допинга».

«Бактерии - самые старые организмы на земле», - гремит Басслер со сцены. «Они здесь уже четыре миллиарда лет. Они составляют 50 процентов биомассы земли и почти 100 процентов ее биоразнообразия ».

Если вы думаете о бактериях, вы, вероятно, думаете о болезнях, гниении и микробах и тянетесь к средству для дезинфекции рук. Басслер хочет, чтобы вы прямо. «Вы живете в тесной связи с бактериями, и вы не можете выжить без них», - говорит она. Триллионы человеческих клеток составляют человеческое тело, но количество бактерий в вас или на вас, по крайней мере, в десять раз больше. Вы в лучшем случае всего 10 процентов людей. Бактерии покрывают вашу кожу ультратонкой защитной броней, которая помогает держать вредных микробов в страхе. Бактерии в вашем кишечнике вырабатывают витамины К и В12. Вы любите салат? Ваша кишечная флора игровой процесс вырабатывает ферменты, чтобы вы могли ее переваривать. Это счастливый роман транс-таксонов. По словам Басслера, для бактерий «это хорошая жизнь, это толстый город», чтобы жить в богатой среде человека. Гораздо лучше, продолжает она, чем самостоятельно биться «в луже или свободно жить в океане». По сравнению с нами это пустыни питательных веществ ». Бактерии могут быть микроскопическими - три миллиона могут поместиться на булавочной головке - но они не являются невидимыми. В следующий раз, когда вы посетите Гранд-Каньон, и ваше сердце вспыхнет в великолепных клубнично-ревеневых полосах скалы, найдите минутку, чтобы поблагодарить создателей. «Бактерии минерализовали камни, они депонировали железо», - говорит Басслер. «Они сделали геологию, которую мы видим».

Басслер живет недалеко от кампуса в Принстоне вместе со своим мужем Тоддом Рейхартом и их котом Спарком. Райхарт, 48 лет, актер и дизайнер веб-страниц. Их дом 1915 года компактен и элегантен, а номера окрашены в разные яркие цвета. «Мы не боимся цвета, - говорит Басслер, - и цвет - это то, с чем мы согласны». У обоих есть то, что друг описывает как «игриво спарринг» отношения. Она жалуется, что он неряшливый. Он жалуется, что она не слушает. «Ты все еще здесь?» - говорит она, глядя на него. «Тебе не где-то быть?» Прости, Бонни, говорит он. «Я гнойный факт вашей жизни». Но когда он наконец уезжает на вечер, она говорит: «Нам действительно нравится быть вместе и делать что-то вместе. Тодд - мой самый большой поклонник ». Они пытались завести детей, но этого не случилось. «Это не похоже на пустоту», - говорит она. «Я счастливый человек. Он счастливый человек. У нас удивительно богатая жизнь, и у меня есть все эти дети в моей лаборатории ».

Басслер выросла в Майами, а затем в Данвилле, штат Калифорния, со своим отцом-бизнесменом, матерью-домохозяйкой, старшей сестрой Элиссой и младшим братом Родом. У нее были куклы Барби; она была также спортсменом «Я была огромным спортсменом в детстве», - сказала она. «Я была в каждой спортивной команде». Она также была хорошей ученицей, и когда она расслабилась, ее мать подтолкнула ее обратно в очередь. «Она сказала бы мне, что когда она училась в колледже, женщина могла быть только одной из двух вещей - учителем или медсестрой», - говорит Басслер. «Но вы, по ее словам, вы можете быть кем угодно». Видя, что Бонни любит животных, ее мать нашла ее добровольцем в зоопарке Майами. «Я должен быть там с верблюдами, оперировать льва», - сказал Басслер. «Это была самая крутая работа в мире». Позже ее мать помогла ей устроиться на заводе Kaiser Aluminium около Данвилла, проверяя образцы бокситов на рудниках. «Так я поступил в колледж», - говорит Басслер. «Я обнаружила, что мне нравится работать в лаборатории». Она поступила в Калифорнийский университет в Дэвисе и решила заниматься биохимией.

Басслер было всего 21 год, когда у ее матери был диагностирован метастатический рак толстой кишки. Три месяца спустя, в возрасте 46 лет, она умерла. Потеря - это пустота, которую Басслер не может запечатать. «Сейчас я старше, чем она», - говорит Басслер, ее глаза наполнились слезами. «Боже, какой плагиат!»

«Хотела бы я сказать ей, что все крики на меня учиться и устанавливать таймер, когда я занимаюсь игрой на фортепиано, стоили того», - говорит она. «Хотел бы я сказать ей, как прекрасна эта жизнь».

Басслер назначает время и место для начала великой части своей жизни: дня лекции в аспирантуре, когда она впервые узнала о кальмаре бобтейле и его удивительном плаще сновидений бактериального цвета. Кальмар живет у берегов Гавайев и проводит дни, благополучно погребенные в песке, появляясь ночью для охоты. Он колеблется у поверхности воды и ждет, когда пища, такая как морская креветка, пройдет мимо. Чтобы избежать отбрасывания тени, которая могла бы взорвать укрытие, кальмар использует небольшую хитрость. Под его защитной внешней оболочкой, или мантией, находятся лопасти, покрытые биолюминесцентными бактериями, миллиарды и миллиарды Vibrio fischeri, химически светящиеся холодным синим кобальтом. Кальмар может чувствовать, сколько лунного света поражает его, и соответственно регулирует апертуры на своих светящихся лепестках. При сбалансированном освещении сверху и снизу кальмар может охотиться без тени. Кальмар получает камуфляж, бактерии получают укрытие и питательные вещества, а такие ученые, как Басслер, получают великолепную систему для укладки, в которой лампочка «ага!» - это больше, чем метафора.

Благодаря изучению V. fischeri, исследователи узнали о бактериальной общительности. Они обнаружили, что бактерии будут светиться только тогда, когда они будут в толпе, собраны вместе и не будут светиться, если они уплывут от своих собратьев в одиноком разведении моря. Исследователи выделили молекулу, которая позволяла бактериям отслеживать друг друга; они назвали это автоиндуктором.

Получив докторскую степень по биохимии в Университете Джона Хопкинса, Басслер работала аспирантом в Институте Агурона, исследовательском фонде в Ла-Холья. Находясь там, она упала на мерцающего кальмара и другие фонари моря. Она изучала V. fischeri и перешла к родственным видам, называемым Vibrio harveyi . Ей нравилась легкость манипулирования бактериями, то, как она могла создавать мутантов, распространять гены, скрещивать и подвергать обратному скрещиванию штаммы. Ей особенно нравилось, что ее странные светящиеся рабочие лошадки светились бы, если бы она сделала правильную вещь, но не, если эксперимент провалился, видимый индикатор того, что ее исследовательская группа все еще использует преимущества сегодня. «Если вы можете выключить выключатель в моей лаборатории, - говорит Басслер, - вы в порядке».

Именно во время изучения V. harveyi Басслер помог сделать пару ключевых открытий: во-первых, у V. harveyi была своя, химически отличная версия автоиндуктора, сигнал только для членов для отслеживания локальных чисел V. harveyi ; во-вторых, что V. harveyi и V. fischeri секретировали и реагировали на молекулы другого типа. Эта молекула могла вырасти из V. harveyi и V. fischeri, независимо от ее источника. Басслер наткнулся на ее бактериальный эсперанто. Она окрестила молекулу autoinducer 2, и довольно скоро она обнаружила его практически у всех протестированных видов бактерий: у шигелл, сальмонеллы, кишечной палочки и Yersinia pestis, носителя чумы.

Басслер и ее коллеги изучили молекулу в атомных деталях и увидели, как она выглядит, когда она обхватывается соответствующим сенсорным белком - «ухом», которое позволяет бактериальным клеткам слышать крик молекулы. Они начали точно определять, как различные виды бактерий реагируют на универсальный сигнал, когда он доставляется либо один, либо в комбинации с другими молекулами, чувствительными к кворуму. Они показали, например, что, когда бактерии холеры получают смесь частных сигналов только от холеры и общего сигнала «мы все бактерии в этом вместе», микробы холеры становятся чрезвычайно вирулентными. Они обнаружили, что молекулы общего языка микроуправляются клеточными занятыми телами, называемыми малыми РНК. Они обнаружили, что система ... сложна. «Это весело, но сложно, - говорит Басслер. «И это хорошо, потому что мне нужна работа».

У большинства интересных людей есть свои противоречия, но Бонни Басслер похожа на греческое меню противоречий: каждый раз, когда вы думаете, что достигли конца, вы открываете другую страницу вариантов. Она гордится Она скромна. Она нетерпелива. Она святая. У нее есть кофейная чашка с надписью «Diva», но она свободно делится своей неуверенностью. «Я так волнуюсь, что моя звезда падает, что у меня кончится сок». Она шутит о том, что ей скучно и она хочет пойти домой, но для любого, кто работает с ней, она - вечная машина против скуки.

«Ее энтузиазм очень заразителен и всегда заразителен», - говорит аспирантка Кэри Наделл. «После первых нескольких наших разговоров, когда она взволновала меня наукой, я подумал, что эффект исчезнет, как это происходит с большинством вещей. Но этого не произошло. Я всегда становлюсь счастливее заниматься наукой после разговора с ней ». Этот дух чирлидера не ограничивается наукой. С понедельника по пятницу Басслер встает к 5:40 утра и отправляется в местную YMCA, где она преподает аэробику в течение часа. «Это очень сложный урок», - говорит Жан Шварцбауэр, молекулярный биолог из Принстона, один из ближайших друзей Басслера и коллега по спортивной гимнастике. «Люди приходят, думая, что аэробика - это то, над чем нужно работать, но она дает вам день, чтобы привыкнуть к этому, и затем она начинает кричать - по-дружески, - если вы недостаточно усердно работаете». Клиенты возвращаются для большего. «Вы видите много одних и тех же людей снова и снова», - говорит Шварцбауэр. «Она называет это культом».

Некоторые из ее научных коллег жаловались, что Басслер иногда привлекает к себе внимание. «Я думаю, что она очень талантливый ученый, и я продвинул ее карьеру», - говорит Питер Гринберг, изучающий изучение кворума в Вашингтонском университете. Однако он добавил, что Басслер может «испытать трудности», отдавая должное другим. Басслер признает, что она «ветчина» и что она рада, что ее фамилия начинается с В, так что она находится наверху веб-страницы своего отдела. Тем не менее, она также усердно сотрудничает, постоянно ищет новых людей для работы: химики, физики, рентгеновские кристаллографы, структурные биологи, математики, теоретики эволюции. Она встретила физика с конденсированным веществом, когда стояла возле места получения багажа в мексиканском аэропорту, и в следующий раз вы узнали, что она сотрудничает с ним. Студентка в лаборатории Басслера по имени Джулия Семмельхак упомянула своему отцу Марти Семмельхаку, что она работала над интересной молекулой в лаборатории. Отец, химик, сразу узнал структурный профиль молекулы - «Это фуранон!» - так что, конечно, Басслер тоже должен был с ним работать.

«Работа с Бонни убедила меня, что при правильных обстоятельствах и с правильными людьми сотрудничество может быть более полезным, чем работа на себя», - говорит Фредерик Хьюсон, молекулярный биолог из Принстона, который изучает структуру белков и других молекул.

Ученые такого уровня, как Басслер, часто работают на 50 или 60 человек, все они борются за внимание и горячие проекты. У Басслера в лаборатории 15 или 16 человек, и она гордится тем, что хорошо выбирает своих протеже. «Только два человека не работали все эти годы», - говорит она. Ее требования просты. Если вы хотите работать в ее лаборатории, если вы хотите быть частью «бренда» Бонни Басслер, как она говорит, вы должны быть чрезвычайно амбициозными, мотивированными, умными, цепкими, удобными с пипеткой, а не придурком, «Моя группа выбирает для определенного типа людей, и этот человек, как правило, очень, очень хороший», говорит она. «В конце концов, именно они будут работать с ними от локтя до локтя в течение пяти лет, и они замечают эти вещи». Кандидат посещает лабораторию, и участники рассказывают Басслеру, что они думают. «Это определение кворума», - говорит она.

Члены ее лаборатории явно преданы Басслеру. Некоторые даже были женаты на ней. В прошлом году, когда Юньчжоу Вэй планировал свадьбу, он услышал от другого ученого в Принстоне, что Басслер получил лицензию на проведение свадебных церемоний.

«Я отправил доллар в церковь в Интернете и получил сертификат», - говорит Басслер. «Я уверен, что это полная налоговая афера». Она уже исполняла обязанности на двух свадьбах и крещении, когда Вэй попросила ее сделать почести. «Я лох», вздыхает Басслер.

«У нас было 60 человек со всей страны», - говорит Вэй. «Бонни устроила действительно хорошую церемонию. Это сблизило нас всех ».

С людьми, как с бактериями, нет ничего сильнее сообщества, объединенного целью только правильными словами.

Натали Анжье - писатель-лауреат Пулитцеровской премии, автор книги «Канон», «Природные одержимости» и других книг.

Бактерии координируют свое поведение, а нарушение их коммуникации может предотвратить или вылечить инфекцию. Джулия ван Кессель исследует бактерии в лаборатории Бонни Басслер. (Захари Доннелл / Bassler Lab)

«Бактерии могут разговаривать друг с другом», - говорит Бонни Басслер. «Они могут не только говорить, но и многоязычны». И она знает, как говорить на их языках. (Ричард Шульман)

Бактерии Vibrio harveyi флуоресцируют, когда чувствуют толпу. (Захари Доннелл / Bassler Lab)

Холерные бактерии обмениваются ДНК. (Доктор Кари Лоунатмаа / Photo Researchers, Inc.)

Бактерии Pseudomonas часто заражают пациентов с муковисцидозом. (Science Source / Photo Researchers, Inc.)

V. harveyi может быть зачарован. (Захари Доннелл / Bassler Lab)

Члены лаборатории Басслера, такие как Шу-Вен Тен, показанные здесь с помощью флуоресцентного микроскопа, могут определить, когда их эксперименты увенчаются успехом, потому что бактерии перестают светиться. (Захари Доннелл / Bassler Lab)