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How bacteria "talk"Bonnie Bassler discovered that bacteria "talk" to each other, using a chemical language that lets them coordinate defense and mount attacks. The find has stunning implications for medicine, industry -- and our understanding of ourselves. 2,983,725 views | Bonnie Bassler • TED2009Bonnie BasslerMolecular biologist  Zhenyu Zhou, Translatorelyse lin, Reviewer00:00细菌是地球上最古老的生物. 它们已经存在数十亿年了 它们是单细胞微生物 它们特征是只有一个细胞 还有就是它们只有一份DNA 它们只有少量基因, 和遗传信息来编码它们表达的特性。 细菌生存的方法 是不断从环境中吸取养分© 在成长到两倍的体积后，它们从中一分为二 分裂为两个细胞，如此循环 它们不停得生长、分裂，然后再生长、再分裂—过着有点乏味的生活。 但是，今天我想告诉你 你与这些细菌有着惊人的互动关系00:40我知道你认为你自己是人类，而这可能也是我如何看你们的 在这里的是 一个一般人类的代表 在他身上所有的圆圈代表着各个组成人体的细胞 每个人体大约是由一兆个人体细胞所组成 它们让我们能完成各种各样我们想做的事情 但是，你一生中的每时每刻， 有大约十兆个细菌细胞生活在你的体内体表。 所以，有十倍于人体细胞的细菌细胞 生活在一个人身上 同理, 我们要算一下DNA 这是所有的 A, T, G 和 C (腺嘌呤, 胸腺嘧啶, 鸟嘌呤, 胞嘧啶) 组成你的基因密码, 赋予你所有的魅力特征. 你有3万左右的遗传基因, 而围绕你的细菌的遗传基因数量是你自己的100倍 它们在你的身体内部和表面上中始终扮演着重要的角色。 最乐观的看法是: 你只是"10分之1人", 事实上"100分之一人"更准确， 取决于你更喜欢用哪个尺度来衡量. 我知道你自认为是一个"人类", 但在我眼里你是90%~99%的细菌.
01:36(笑)01:37这些细菌不是顺从的乘客, 他们难以置信得重要, 他们让我们活着. 它们是我们身上的无形盔甲 阻断来之环境的伤害 保持我们的健康. 它们消化食物, 制造维他命, 它们还指导你的免疫系统 将有害微生物阻挡在体外。 它们尽心尽职干活 帮助我们，维护我们的生命。 却从没有因此得到过报道. 反而却因为它们同时做的许多 坏事而时常见报。 地球上有无数种细菌 它们有些在任何时候都绝对不应该出现在你的体内体表， 然而假如你不幸遇到了, 那你一定会病得很厉害。
02:18所以, 我们实验室研究的问题是, 正是你想知道的 细菌做的所有好事或者细菌做的所有坏事。 我们曾经提出一个疑问: 它们究竟是怎么做到的? 我指的是, 它们是那么细微, 用显微镜才能看到一个。 它们的生活好像只是单调乏味的成长与分裂， 而且长久以来被认为是不善社交的隐居生命体。 所以在我们看来, 它们实在是太渺小， 如果单枪匹马 根本到无法对环境产生任何影响。 所以我们正在探讨 细菌是不是有着特殊的生存方式。02:50解答这个问题的线索 来自一种叫做费氏弧菌的海洋细菌。 你们在这张幻灯看到的，是我实验室的一个工作人员 握着一瓶装满这种细菌的培养液， 这是一种来自海洋的，美丽而且无害的细菌： "费氏弧菌". 这种细菌的特性是会发光， 产生生物荧光, 像萤火虫一样。 我们没有对这些细胞做任何处理。 我们只是把房间灯关了，然后照了这张照片， 这是我们所见到的情形。03:21事实上, 我们感兴趣的部分 并不是细菌会不会发光， 而是细菌何时发光。 我们发现, 当细菌独立存在, 经稀释后进行悬浮培养时, 它们不发光。 但一旦它们增长到一个特定数量之后 所有的细菌同时发光。 于是我们想, 这些原始生物, 到底如何得知自己是处于孤立的状态, 还是处在一个群体里， 并且同时一起做同一件事情。 然后我们发现了这是因为细菌能够彼此交谈， 它们用的是化学语言。03:56假设这是我的细菌。 当它独处时, 丝毫不会发光。 但是它们会制造分泌小化学分子 你可以把他想象成荷尔蒙, 这里的红色三角形代表这些小分子, 当细菌独处时， 分泌的小分子游离开来,所以不发光。 随着这些细菌成倍增长, 且全部一起制造这些分子, 这些细胞外分子的含量 随着细胞数量的增加而增加， 当这些个分子累积到一定的量之后， 它们会告诉了细菌，它们周围有多少邻居， 细菌接受到这些信息后， 所有的细菌，同时开始发光。 生物光就是这样运作的 -- 它们籍由上述的化学语言交流。04:40费氏弧菌的发光现象来自生物学上的原因。 接下来,我们再来看一个海洋生物： 费式弧菌寄生在这种乌贼的体内。 你们现在看到的是夏威夷截尾乌贼, 这是它的腹侧, 我希望你们看得到，那两个发着光的叶状突起， 这里是费式弧菌的寄生之处， 他们居住在这里面。 他们分泌的小分子也在这里面,所以它们能够发光。 这种乌贼之所以愿意接受它们在里面胡作非为 是因为它需要这些亮光。 这种共存行为的建立基础 是因为这种小乌贼生活在夏威夷的海岸， 大概只有膝盖一般深的水里。 这种乌贼是夜行性的， 因此在白天它们藏在沙子里睡觉， 但是到了晚上，它们必须出来猎食。 在有着许多星光与月光的明亮夜晚， 这些光线可以照透乌贼所生活的地方 因为这里的海水只有数尺深而已 这种乌贼演化出了一种活叶瓣， 可以打开或关闭细菌所寄生的发光器官。 这种乌贼背上有一些感光装置， 可以测量有多少月光或星光照在它背上， 然后调节它的活叶瓣。 使从它腹部所放出的光 细菌产生的光 完全符合照射在乌贼背上的光强度 因此这乌贼就不会产生任何影子。 它们使用来自细菌的光， 不断调节光线，就像穿上隐身衣， 使猎食者无法看见它的阴影， 计算它的动向，然后吃了它。 就像是大海中的隐形轰炸机一般。06:09（笑声）06:10但是如果你再深入地想一下，这乌贼会有一个可怕的问题 因为在它的体内，这些黏稠的细菌会不断的增长，死亡， 乌贼无法无限地维持这种状态。 因此每天早上太阳升起后， 它将自己埋藏在沙子里睡觉， 它有一个与日夜周期同步的活泵 当太阳升起时，它将大约95%的细菌排出体外。 当细菌被稀释了，这些小荷尔蒙分子也随之消失， 因此它们就不发光了， 但这时乌贼完全不在乎，因为它正在沙子里睡觉呢。 当白天过去，这些细菌持续分裂增长， 它们释放出足够的这些小分子，然后又开始在晚上发光， 这时正好又是乌贼需要光线的时候。06:46我们首先了解了这些细菌为什么会有这种现象， 然后我们使用分子生物学的方法 来研究这种现象的真正的机理。 我们发现了：比如这是我的费氏弧菌 它有一种蛋白质－ 就是这个红色的方块—它是一种催化剂， 是它制造的这种小荷尔蒙分子，就是这红色三角形。 当细胞生长时，他们全都释放这个种分子到环境中， 因此周围环境中有大量的这种分子。 这些细菌的细胞表面，存在一种受体， 它与小分子的构造就如同锁与钥匙一般的吻合。 它们就如同你我身体细胞表面上的受体一般。 当这些分子增加到一定的量时— 这也意味着这些细胞的数量增加到一定的量 荷尔蒙小分子与受器相结合， 讯息开始向细胞内部传递， 这个讯息会告诉这些细胞 开始集体发光的行为。07:35这个发现之所以有趣，是因为在过去十年间 我们发现这种现象， 不只局限在这种住在大海中，古怪的、会在黑暗中发光的细菌， 而是所有的细菌都有类似的系统。 由此，我们发现所有细菌都是可以彼此交谈的。 它们制造化学文字，同时也能够辨认这些文字， 然后表现 只有当所有细胞齐心协力才能成功的集体行为。 我们为这种行为取了一个新潮的名字，称作：聚量感应。 就象用化学物质投票， 再对票量加以统计，然后 所有细胞都要服从最后的投票结果。08:08今天演讲最重要的一点是， 我们已经知道细菌有数百种以上的这种 集体行为。 其中对大家来说，最关心的应该还是细菌的致病性。 并不是说少量细菌进入你体内后 就马上开始分泌毒素。 相对它们来说，你是个庞然大物，少量细菌对你不会有任何的影响。 我们发现， 它们是先进入你的体内，然后等待，开始不断复制增长， 它们由统计小分子的数目来估计自身的实力， 当确定有足够的细胞数后， 所有细菌一起发动致病攻击， 这样它们就能成功攻陷巨大的宿主。 细菌总是以「聚量感应」来控制其致病性 这就是它们运作的原理。08:50我们同时也研究了这些小分子， 这些就是我刚才幻灯上的小红三角形。 这个是费氏弧菌的小分子。 也就是它们用以交谈的文字。 我们开始研究其他细菌， 这些是部份我们已发现小分子 我希望你们看得出来 这些分子之间是有关联性的。 每种细菌， 它们的小分子的左半部都是完全相同的。 只是在右半部则因菌种的不同而有少许的不同。 这个发现证实 细菌的语言有高度的专一性。 每一种分子只能与其相对受器结合，非常专一。 所以这些交谈是私下的、秘密的。 这种交流是只限于同种族内部的沟通。 每一种细菌使用其特殊分子代表它的语言， 让它能够计算同类的数量。09:43一旦我们了解这些， 我们也开始了解细菌有所谓的社交行为。 但我们真正思考的问题是， 在多数情况下，细菌并不是单独生活的，它们居住的地方是鱼龙混杂的， 它们跟其它成百上千种的细菌同居一处。 这张幻灯可以说明这个情形：这是你的皮肤。 这是一张照片，是你皮肤的显微照片。 在你身体的任何地方，看上去都会和这差不多。 我希望你能看出，这里有各种不同的细菌。 因此我们开始思考，如果这真的是细菌间的交流 计算与之相邻的同种细菌的数量， 只跟同种细菌沟通是不够的， 它们一定有某种 跟周围其他种细菌和平共处的方法。10:24所以我们回到分子生物学的方法， 开始研究不同的细菌。 我们现在已经发现， 事实上，细菌可以讲多国种语言。 它们都有一个菌种特别识别系统， 用特别分子来辨别同类。 但是，我们发现， 它们同时还有另一种系统，那是一个通用的系统。 因此，它们有另一种催化剂，能产生第二种信号， 这种信号也有自己的受体， 这种分子是细菌们的公共语言。 它被所有不同的细菌所公共使用， 是一种菌种间沟通的语言。 细菌能够计算 并区分自己周围同种与异种细菌的数量。 它们传递这些讯息到细胞内， 然后决定该怎么做， 它们的行动取决于在整个群体中 谁占多数，谁占少数。11:12我们又使用化学方法 搞清了这个通用分子的构造－ 通用分子就是我上一张幻灯的粉红色椭圆形。 它是一个非常小的五碳分子。 重要的是，我们发现 每种细菌都有完全一样的催化剂， 可以制造一模一样的分子。 它们都使用这个分子 作为菌种间交流的语言。 这是细菌的世界语。11:37笑声11:38一旦我们了解这个后， 我们知道细菌可以用这个分子来相互交流。 但是我们又开始思考， 也许我们可以使用这个发现来做一些实质上的应用。 我已经告诉过你们，细菌间是有社交行为的， 它们是使用这些分子进行交流的。 当然，我也告诉过你， 其中一件主要的事情就是它们使用聚量感应来启动致病性。 我们不禁想，我们是不是 可以让这些细菌哑了或聋了？ 这岂不是可以成为一种新的抗生素？12:07当然，你一定听说过，而且你早就知道了 我们快要没有有效的抗生素了。 现在的细菌都拥有，不可思议的多重耐药性 而这都是因为，这些抗生素的工作原理都是杀死细菌。 它们要么是使细菌的细胞膜破裂， 就是不让细菌复制自己的DNA。 当我们用传统抗生素来杀菌时， 会同时培养筛选出有耐药性的突变菌株。 所以，我们有了全球性的 感染病问题。 我们想，如果我们可以稍微更改这些细菌的行为， 只是让这些细菌无法交谈，无法计数， 它们就不知何时发起毒性攻击。12:42这就是我们已经完成的实验，我们使用了两种不同策略： 第一个， 我们锁定菌种内通讯系统。 我们制造了一些看起来跟真的分子很像的分子， 你们可以看到，它们间只有一点点的不同。 因此，它们会锁住这些受体， 并且干扰受体辨识真正的分子。 既然锁定红色的系统， 我们就可以制造 针对菌种，或是针对疾病的「反聚量感应」分子。 我们也对粉红色系统做了同样的事情。 我们使用那种通用分子，将之做了一些更改 我们做了一些拮抗剂， 它们都是针对菌种间的通讯系统。 我们希望这些分子可以用来作广谱抗生素， 对所有细菌都有效。13:26最后，我只跟你们说一下战略。 在这个里，我们只是使用跨菌种分子， 但是思维逻辑是一模一样的。 你们都知道，当细菌进入动物体内， 以此为例，对这只老鼠， 它并不会马上启动致病机制。 它进入，开始增殖， 开始分泌它的聚量感应分子。 当累积到足够数量时，细菌能识别， 并开始发起攻击， 然后老鼠就死了。 我们所做的是在致病感染的同时， 加入我们的「反聚量感应分子」， 也就是看起来很像真的「聚量感应分子」的物质， 但是，正如同我在幻灯上指出的，它们之间有一点点不同。 我们现在发现， 如果让实验动物感染一种具有多重耐药性的致病细菌， 但是同时， 我们施予「反聚量感应分子」治疗， 动物就能够存活。14:16我们认为这应该是下一代的抗生素， 它将能够让我们，至少在开始阶段， 解决耐药性细菌的问题。 我希望你们也能认为，细菌可以彼此交谈， 它们使用化学物质当作语言， 它们拥有极端复杂的化学语汇， 我们现在才刚刚要开始学习这些语汇。 当然，也因为这些语汇 使细菌得以变得像多细胞生物。 所以，就像TED的精神一样，它们彼此合作， 因为这样才能有一番作为。 细菌因为有这些集体行为， 所以可以执行 一些如果是单枪匹马 是永远无法完成的任务。14:55我希望能进一步地说服你们的是 这就是多细胞生物的起源。 细菌已经生存在地球上数十亿年了。 人类只有数十万年而已。 我们认为细菌制定了 多细胞的组织运作规则。 我们认为，由研究细菌， 我们将能够对，人体内的多细胞系统，有更进一步的认识。 我们现在已经知道基本规则了， 如果我们可以从这些原始生命体上进一步弄懂它们， 这些规则也有希望能够应用 到人类其它疾病与行为上。 我希望你们已经学到 细菌是可以区分你我， 使用这两种分子，它们可以表达「我」和「你」。 当然，这就是我们所做的 不仅只在分子层面上， 同样也在行为上， 只是我在分子层次上想的多一点。15:45这完全就是你们体内正在发生的事情。 你们的心脏和肾脏细胞不会每天混杂在一起， 这是因为你体内有一大堆化学反应不断地进行着， 这些分子能够区分不同的细胞群组， 还有它们所应该执行的任务。 再一次，我们认为细菌发明了这个机制， 你只不过是多演化出了一些铃铛与哨子而已， 但是所有的概念都包含在这个我们所研究的简单系统中。16:08最后，只是再一次重申，这个研究的实际应用方面， 是我们已经制造出了这些「反聚量感应分子」， 它们正作为新一代的疗法被开发研究中。 为了鼓励地球上生存的 所有对人有益的细菌， 我们也制造了「强化聚量感应分子」。 因此，我们已经锁定了这些系统，让这些分子运作得更好。 请记得在你体内体表，有超过你自身细胞十倍的细菌， 它们使你保持健康。 我们也努力加强 你和你的共生的细菌之间交流， 让你更健康， 让这种互动更有益。 让细菌只做我们希望它们做的事情。 防止细菌做我们不希望它们做的事情。16:50最后，我希望让你们看看 我在新泽西，普林斯顿大学实验室的成员。 我今天所告诉你们的每一个发现，都是由照片中的某人所完成的。 我希望当你们学到东西的同时 比如：自然世界是怎样运作的， 我只是想说，任何时候，当你们在报纸上看到某事， 或是你们听到某些有关自然的，好玩事情的演讲， 都是由年轻人完成的。 科学是由这种年龄层的人所造就的。 这些二、三十岁的年轻人 他们是推动这个国家科学发现的引擎。 我真的是非常幸运能与这群年轻人一起共事。 我自己在不断地变老，但他们却是始终不变， 这真是一个美好得不能再好的工作。 我要谢谢你们的邀请。 非常荣幸能参加这个大会。17:34掌声17:39谢谢17:40掌声Bonnie Bassler: How bacteria "talk" | TED Talk
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