Richard Roberts (2007) - Why I love microbes

We live in a fascinating world surrounded by life. Much of that life is clearly visible like the plants and animals that we see every day. However, far more is invisible to the naked eye and it is to this realm, the microscopic world, that I will take you

Good morning everyone and welcome. Today we have three talks and then we have a round-table discussion. The first speaker is Richard Roberts from New England Biolabs. But the discovery he made in 1977 about the mosaic structure of genes was made when he was working in Cold Spring Harbor Laboratories in Long Island, New York. He received the Nobel Prize 1993 for the discovery of split genes. And the title of his talk is why I love microbes, Dr. Roberts, please. Thank you. Well, what I’m going to try and do today is to give you some idea of why I find microbes absolutely fascinating. I think they have so much going for them that I would encourage all of you to perhaps think about working in this area at some point. One of the things I like about microbes is that they’re essentially very simple organisms. And it seems to me possible that if we had enough effort put into studying them, before I die we might actually understand how the very simplest microbe works. And I think all of us as biologists would like to understand how life works. We’re not going to understand how humans work in my lifetime, perhaps not in your lifetimes either. But I think we may be able to understand how a microbe works. And for me that would be a very exciting possibility. The microbes also have the great advantage, from my point of view, that most of them are undiscovered. Less than 1%, perhaps less than .1% of all the microbes on this planet have actually been discovered, characterised in the laboratory or grown in the laboratory. Most of them we can’t grow. Part of this is because many of them will only grow when there are two or three or four, all growing together. They need one another in order to be successful in life. Many of them also live in incredibly inhospitable places. And I will show you one or two of these microbes. They also have one very remarkable property. And that is that they live with us, our bodies are literally crawling with bugs of one sort and another, we have them on our skin, we have them in our mouths, we have them inside us. Everywhere you can imagine microbes live. And I will show you a little about this, too. So we’ll start off by taking a quick trip through the environment. I’ll show you one or two bugs that I find particularly interesting, and then we’ll head into the human body and human health and the kind of organisms that live with us. So if we go on to the next slide, I want to use this just to show you how microbes – and by microbes I’m talking about bacteria and archaea, and these are the three kingdoms of life, shown here. The archaea originally were thought to be bacteria, in fact they’re a completely separate kingdom of life, as shown by Carl Woese in 1977. And what this tree of life does is to try to show you how everything is related to one another in terms of its diversity. So for instance the eucarya, the large organisms that you see, plants, people, giraffes, rhinoceros, anything big, mice and so on, all of these form up here. Many of these down here, giardia and so on, are very tiny microorganisms, microscopic. And all of these other organisms, the bacteria and archaea, you can see they’re a long way away, very distantly related to us. And we sit up here, this is homo and this is maize, so we’re much more closely related to maize than many things that you might have thought of, we’re a long way away from the bacteria. But notice here the mitochondria, the red organisms, these are small organelles that live inside ourselves, that produce energy for us and these are very closely related to the bacteria. I’m showing that the human cells, the human genome has actually something that has acreated from many other different genomes over time. So most of the diversity on this earth are microbes, in fact most of the mass is on microbes. This may be hard to believe, you sort of are used to looking around and you see all this vegetable matter and lots of animal life and so on. You can easily be confused into thinking that this is most of the mass of life on this planet. It’s not, the microbes are most of the mass of life on this planet. Not just with us but in the seas, the seas are absolutely seething with microorganisms. Even if you dig three miles down into the earth you will find microorganisms, typically about 10 to the 5 to 10 to the 6 cells per gram of material, three miles down in the earth. So these things are everywhere, they’re in the Antarctic, under the ice, everywhere you can imagine. And one of the reasons that you don’t really appreciate how much there is, is because you can’t see them, these are microscopic organisms, you have to look under a microscope to find them. Now, the first slide that I’m showing here is a photosynthetic organism. And in fact this organism is rather interesting in the sense that it was the original polluter of this planet. When life first began on this planet, it began in an anaerobic environment, there was no oxygen around, most of the oxygen was wrapped up in minerals inside the rocks of this planet or in water. These organisms started doing photosynthesis, they started producing oxygen, and in fact they wiped out most of the existing life that was all anaerobic, that didn’t like all of this oxygen around. And you can see they’re very nice organisms, they form these beautiful long chains and every so often you see one of these slightly larger heterosis, very strange little form of the microorganism. And these can live anaerobically whereas the others live aerobically. If you look in soil, anywhere where there is material rotting, you will find things called myxobacteria. They look like little mushrooms, except you can only see them under the microscope. And they form these beautiful little fruiting bodies, they’re very nice little fruiting bodies. They’re essentially bacteria that are able to differentiate. They can produce different kinds, different forms of cells and different forms of acreations of cells in order to survive. These things are just all over the soil. Many of them are this beautiful orange colour, they’re very, very pretty. Sometimes you see them as films on rotting wood. But there are many, many of these things, without them we would actually probably be full of debris of one sort and another, they’re very important in terms of getting rid of waste material. Now, this organism I love, it’s an example of a spirillic bacteria, this one is called aquaspirillum magnetotacticum. And this is a guy that lives in the oceans and has within it a very interesting structure, shown here in black, that is an acreation of ion and it’s a magnet. So this organism has formed a magnet within itself and it uses this to navigate. And it swims in the direction of the earth’s field. If it’s in the northern hemisphere it likes to swim north, if it’s in the southern hemisphere it likes to swim south. And it’s also very sensitive to the force fields and so it actually swims underwater and swims away from the surface. We don’t really know why it does this, it’s just a behaviour that one can observe, there are several theories, some people think that it’s swimming to get away from predators, others think it’s swimming to get to food. But why it would use a magnet to do this is completely unknown. And there’s actually a whole bunch of organisms, some 40 or 50 different species of organisms are now known that can do this same sort of thing, they have little magnets in them for devising, for getting around. This is something else in the ocean, beautiful tube worm. These things live on these deep sea vents, you know underneath the oceans there are many volcanoes, many hot vents in which we have magma and other materials spewing out of the earth and sometimes these are called ‘deep smokers’, ‘dark smokers’. They were discovered about the mid 1970’s by deep diving oceanographic vessels, mainly from Woods Hole. And these things have magma, they have steam coming out at incredibly high temperatures, anything up to 1,000° centigrade. And this is right in the middle of the deep ocean very often and so you have these great thermal changes that take place from the deep vents with material at 1,000° out into the ocean which is typically about four or five° centigrade and so you get a big thermocline develops. And it turns out that there are many organisms that like to live in this zone between the actual vent and the ocean and where temperatures vary from anywhere from 100°, suddenly coming down to 5°, and there are not only many bacteria and archaea that live there, typically the archaea love to live in these kinds of environments, but there are also eukaryotes. And one of the eukaryotes is this tube worm. So this is actually a worm, this is the sheath of the worm and this is the plume. And the centre of this worm is actually a massive bacteria. In fact without the bacteria the worm couldn’t exist. So the bacteria are busy taking advantage of all of the minerals and all of the energy that is coming out of this deep vent and using it to manufacture materials that then keep the worm going. So very bizarre, and you find these everywhere. So let us say, you know, you might have imagined one of these things could have arisen in one particular vent, they then spread everywhere. Wherever these things occur in the oceans, you find these tube worms and you find these beautiful bacteria that live within them. Now, when we go to Yellowstone National Park - and there are many parks like this but I’ve not been to one that’s quite as nice as Yellowstone - this is where I do my little tourist bit, I think if ever you get the chance to go to Yellowstone National Park, you should. It’s just an amazing place, it’s a volcanic caldera where there are many hot springs, many geysers, the ground in general is extremely hot in many parts of Yellowstone still. And there are wonderful examples of bacteria and archaea that live there. And when you look around some of these thermal pools, so here’s a thermal pool and here’s some hot water that’s running down into it, you see lots of these phototrophic organisms that are living here. They show up with these beautiful colours, they form bacterial films. If you look down through these films you discover that at the very top there are organisms that are using one wavelength of light in order to do photosynthesis and get energy. And as you go down you have bacteria that are using whatever light is left. And so by the time you get down really only a few centimetres and there is no light then penetrating, because it’s all been used up by the bacteria that have developed to take advantage of it. And they form just these beautiful colours all the way around these pools and they’re all films of bacteria. This is where for instance the enzyme Taq polymerase from thermos aquaticus came from. A man called Brock, a very famous microbiologist first found this organism at Yellowstone, and this is in fact the place where we’re now able to do PCR and all these other wonderful things, because of the organism that came out of this hot spring. Typically organisms here live anywhere between 80° and 100° centigrade, imagine at 100°C, normally your DNA is completely denatured. But these organisms have found ways to keep the DNA strands apart. Now, another nice thing you see in Yellowstone are these beautiful sulphur springs. This yellow colour here is all elemental sulphur and it’s caused from this archael organism, sulfolobus and sulfotaracus, which is able to take advantage of the hydrogen sulphide that is coming out of this spring. And they can then oxidise that, produce sulphur and in the process gain enough energy to live. Wonderful organisms, many, many examples of this when we look around. Now, I want to move away from the environment at large and talk about our local environment. Talk about humans and the bacteria that live with us. We often are not completely aware of all the bacteria that live with us until we get sick. Many of us, you know, we come down, we have a nasty infection that’s caused by a staphylococcus perhaps. When I was a child, before there were antibiotics, every time I would get a cut on my leg it would always get infected and turn yellow and nasty, absolutely awful. And now of course you can treat all of that with antibiotics, although we probably use antibiotics more than we should. But there are many, many things that come along and cause us problems and I will take you through and talk to you about one or two of these organisms that cause problems. Because even when they cause problems, they’re still extremely interesting organisms, they have wonderful lifestyles, they’re able to do all sorts of interesting things. And there are also many organisms that live with us that are completely harmless. And in fact others that are very, very good for us, things that we call probiotics and I will finish by talking about those. But I wanted first just to talk a little bit about the cells that we have, and to compare humans with the bacteria. So in a typical human there are about 10 to the 13 cells, that is human cells, and there are about 10 to the 14 bacteria. So there are 10 times as many bacterial cells in a typical human as there are human cells. The number of different strains in humans is 1, in bacteria I’d put this down as greater than 400. In fact the bottom line is we really don’t know in any great detail just how many different kinds of bacteria there are living with us. And there are several projects underway at the moment to actually look at all of the bacterial genomes that are associated with humans. People are going around taking samples of skin, taking samples from the mouth, from the stomach and so on to try to get a feel for just how many strains there are. And I think this could easily be actually 10 times as many as this, there could easily be 4,000, and we really wouldn’t know at the present time. Most of these organisms we can’t grow, the only reason we know they’re there is because we can study their DNA, we can look at their ribosomal content, the ribosomal DNA content and get some idea of just what the diversity is. But it really is quite immense, these things are everywhere. If you look at the number of DNA basis - in a typical human cell there are about three billion – if you tot up all of the DNA basis, the individual genes, the individual sequences in these various strains of bacteria, we’re talking about maybe a third as many DNA basis, but that equates to many more genes. So these three types 10 to the 9 DNA basis in a human cell, the estimate is 30,000 genes, maybe that’s down to 25,000, it seems to be going down all the time, the number of human genes we have. And the bacterial genes are probably going up and up and up. And so there are many more bacterial genes that are associated with our bodies than there are human genes. That's something also to think about. The bacterial population is very, very much greater than ours in terms of its diversity. Just to give you some idea of where you typically find large numbers of organisms. On skin you have staphylococci, there’s a lovely organism called staphylococcus epidermidis, I sometimes show a slide of this thing, this organism lives inside the pores inside your skin and it’s essentially impervious to anything we do. You can wash your hands and your arms all day and these organisms don’t mind at all because the soap really just never gets to them. They’ve found some very good ways to hide. There are corynebacterium, lots of different species here, I don’t propose to go through them all. In our mouths we have a very interesting set of organisms. About 1 in 10 of all of the organisms that we can recognise as living in our mouths have we ever been able to grow or even just to identify in any reasonable way. Most of the organisms we don’t know what they do, we don’t know why they’re there, and we have very little knowledge of them. In the respiratory tract all sorts of organisms, too, the gastrointestinal tract and the urogenital tract. And of course, here you have lots of organisms that can cause problems. And many of these organisms are pathogens, but many of them are not. And in fact, even the ones that are pathogenic in some ways are a little beneficial, because some of the organisms that we have, that are actually good for us, are producing compounds that keep these pathogenic organisms at bay. There’s a constant fight between microorganisms and they all want to live in this little niche. And so many of the organisms that are actually rather good for us are producing compounds to keep these pathogens at bay, which is a good thing. Now, I love to show this slide, it shows exactly what happens when you sneeze without stifling it. And this is the way that an awful lot of these pathogenic organisms like to get around. They like to live in the nasal passages, in the throat and in the mouth and so on. And so this is the kind of aerosol that is produced every time that you sneeze. And of course these have microorganisms in and they’re spreading around all the time. Of course tuberculosis, you probably heard about the recent scare in the US, tuberculosis gets around this way and is in fact an incredibly dangerous organism in terms of its ability to pass from one human to another, very, very infectious nasty agent. Now, the history of disease kind of goes back to 1877 and in fact it was anthrax that was the very first organism that was shown definitively to be the producer of a disease. This was shown by the great microbiologist Robert Koch. He then went on and found a whole bunch of other things, came up with the rules that determine whether or not we could declare that something was the causative agent. And coming down here, you’ll see all sorts of really nasty diseases and that are caused by these microorganisms. One or two of these I will tell you something more about. But there’s been a long history of this and it’s obviously been something that microbiologists have been very keen to look at, and one would always like to know what are the organisms that are causing disease. And of course then how to deal with them, how can we stop them. Now, one organism that I like to talk about quite a lot is helicobacter pylori, this is an organism that lives in your stomach, lives at extremely low pH, it lives in the lining of the stomach, in the endothelium. Two years ago this organism was the subject of the Nobel prize in medicine when it was awarded to Marshall and Warren who were the first people to show that this organism was in fact the cause of ulcers. Prior to that the pharmaceutical companies thought that all you needed to do if you had an ulcer was to take an antacid, this would solve the problem of the acid that was present in the stomach but it did absolutely no good at all for the cause of the disease. And Barry Marshall did the classic experiment that many doctors like to do, he was convinced that this was the source of the infection, it was the cause of ulcers and so he grew some in the lab and drank it. And sure enough, within a few days, he came down with an ulcer and fortunately the helicobacter that he drank was susceptible to antibiotics and he was able to cure himself very rapidly. And in fact you can cure most causes of ulcers through helicobacter pylori just by taking antibiotics, of course the pharmaceutical industry didn’t like that very much because the sales of antacids went way down. But nevertheless this is the cause. And this is an actual helicobacter pylori here, this is the bacterial cell adhering to one of these epithelial cells lining the stomach. And you can see it causes a very close interaction. And in fact it is known that helicobacter pylori can cause cancer, it causes stomach cancer and it can also cause oesophageal cancer if you have acid reflux disease, we don’t know how this happens but the evidence is very strong that it can do that. Now, most of us who live in the western world no longer have a lot of helicobacter pylori in our stomachs. If you live in the developing world almost everybody is infected, you pick it up at a very early age. But in the western world we take so many antibiotics that we’ve usually killed off this population. And a man called Martin Blaser at New York medical school has recently been looking at this organism and finds a very strong correlation between whether you have a helicobacter pylori infection and whether you’re susceptible to asthma. And it turns out that if you have a very high concentration of helicobacter pylori, a good infection going, you almost never get asthma. And as the amounts of helicobacter go down in the population, up goes the rates of asthma. He believes there’s a causal connection here, it’s still too early to know for sure, but it does point out the fact that there are many bacteria who live within us, that we indiscriminately get rid of by the poor use of antibiotics, and when we do that there may well be all sorts of unintended consequences. I show this one, this is a very nice organism, just a beautiful slide, it’s one of these spirillum organisms, it’s called borrelia, it’s the cause of lyme disease. Vibrio cholerae causes the disease we know as cholera. However, vibrio cholerae is really interesting, it’s a small microorganism that lives in conjunction with a large eukaryotic organism called volvox. And it actually sits on the surface of the volvox to a point where if you have a cholera infection going, and you believe the water is contaminated, merely by filtering the water through something like a very fine thread, something like a sari, you can actually get rid of most of the vibrio organisms in the water. Very simple public health measure can be useful here. This is another spirillum and this time treponema that causes periodontal disease. Yersinia pestis is the cause of plague, this was the organism that caused the Black Death in Europe, that decimated the population of Europe in the Middle Ages. I always like to show the next slide, this is one of the little bubos that is produced by this organism. And when you get a really good infection going, then you get a very severe gangrene in the fingers, in the toes and thorax. By the time you reach this stage, there’s almost nothing can be done about it. But if you catch it early it’s very susceptible to antibiotic treatment. And I want to close just by talking a little about lactobacillus sake, lactobacillus is one of these organisms that we think of as a probiotic. They’re very good for you and this organism you get in yoghurt, wonderful thing to eat lots and lots of yoghurt if you like it. I personally don’t like it but I would recommend it to all of you. These organisms produce compounds that will keep many of the pathogenic organisms at bay. There are many other such organisms that do this, bifidobacterium is another one that you sometimes find in yoghurt, but there are really lots and lots of wonderful microorganisms that do in fact do wonders for you, you want them in your bodies, you want them around because they’re keeping the pathogens at bay. And I want to close just by asking you to think about something I find quite remarkable. So here we are, we’re humans, we’re walking around, we’re absolutely full of bacteria, they’re living all over the place, they make a very nice living with us. When we evolve, as humans evolve, so the bacterial populations evolve, too. The two are really in a tremendous symbiosis, we’re both evolving together. And it’s rather easy to think that perhaps humans were invented by bacteria in order to provide a nice place to live. Thank you very much. Thank you very much, you did very well on time, so we have time for questions. Are there any questions here? QUESTION. I think nowadays lots of people use antibiotics and I think it’s maybe a damage to our human flora of microorganism. Do you think it’s quite a severe problem we use too many antibiotics? RICHARD ROBERTS. Yes, so antibiotics, you know, they really are the wonder drug, they were the wonder drug when they came along and we very much abuse them. We feed them to cattle and so they get into meat, they get into our food supply. Certainly in the western world the slightest hint of an infection, whether it’s a viral infection, for which antibiotics will do no good at all, or whether it’s a bacterial infection where they will work, we use way, way too many. And that is really clear, if you look at tuberculosis as one of the best examples of this. When I was a kid, tuberculosis was a major problem, if you had tuberculosis, in England you were put into a sanatorium, you were separated from the rest of the population to stop it spread. Along came antibiotics, we could cure microbacterium tuberculosis and so everybody stopped worrying about it, now we’ve reached a point where the microbacterium many, many strains of microbacterium are drug resistant and god forbid you should ever go to prison in Russia, but if you do, the odds are you’ll come out of prison with a nasty tuberculosis infection. Tuberculosis kills more than a million people a year around the world and the US government in its wisdom stopped funding research on microbacterium many, many years ago. They’ve only just started putting more money into it and we have a major problem again with tuberculosis. And so, yes, we’ve done a terrible job of actually handling the antibiotics that we had. And there are very few new ones, sort of new forms of antibiotics in the pipelines. There are a few beginning to appear now, but we’ve gone through a long period of neglect. QUESTION. I’m a medical doctor from Pakistan, I was fascinated when I found that intravesical tuberculosis therapy was being used for bladder cancer. And when I looked at the literature, I found that many viruses are being used as anti-tumour agents, do you think that this is a promising area of microbes being used to treat cancers? RICHARD ROBERTS. Yeah, so the question here relates to the use of microbes and viruses in order to treat cancer, and I’m afraid I don’t know anything about that. I’m completely ignorant on that front. I know about bacteria phages being used to treat bacterial infections. This is something that was taking place in Russia for a long, long time. But I know nothing about using microorganisms to treat cancer. So maybe we can talk about that afterwards, because I would love to hear some more about that. QUESTION. I just wanted to know, a lot of companies are selling now changed food with probiotics, is there really any evidence that it is much better for us to buy this more expensive food. RICHARD ROBERTS. Well, I think it’s really hard to know. The problem with health supplements, health food supplements is they’re not well regulated and so it’s an obvious market for any charlatan to come along and try to sell you snake oil. I think for some of the probiotics, when they tell you exactly what is in there, and especially if they have lactobacillus or if they have bifidobacterium in there, there’s a good chance that they will be useful. But I think equally there are many things on the market that one would do best to avoid. I think if you really want to go the probiotic route, I would absolutely recommend yoghurt as the way to go. Yoghurt is very wonderful for you, just doesn’t taste good. QUESTION. You talked about co-evolution of bacteria with human being, so like in case of h pylori, it is in developing countries, as you said, that in developing countries most of the people are infected with the bacterium. But there is no disease outcome in most of the persons. So what do you think, is it a pathogen or is it a symbiont? RICHARD ROBERTS. Okay, so the question relates to helicobacter pylori. And the fact that most people in developing countries have infections with helicobacter pylori, most of the infections are relatively low-level, so you have the organism but you don’t have any serious disease associated with it. We don’t really know why you suddenly get a disease associated with helicobacter. In the western world it may be related to diet, it may be related to other organisms that come along. The incidence of stomach cancer caused by helicobacter pylori are very low in the developing world, although there are a few cases from time to time, much higher elsewhere. But I think the real problem is that, as soon as you go from one population to another, the whole microbiome, the whole set of microbes that are living with you are different. And so one has to think about not just the helicobacter pylori but all the other organisms that you typically find. And many of these you simply don’t find in the western world. And so we have a long way to go. You know, when you recognise that most of the organisms living with us we don’t know what they are, we don’t know what they do, it becomes very easy to make hypothesis and much more difficult to test them, because these are very complicated biota, very complicated environments in which these organisms are living. QUESTION. My question is how we can fight the multiple drug resistance problem. Do you think we need to find a perpetual target so that in future we don’t have to look for new antibiotics? RICHARD ROBERTS. Okay, well, I think the whole question about multiple drug resistance means that we do have to find new drugs and typically new drugs do not necessarily mean new targets, sometimes they do, but different classes of compounds that are able to go after a known target but in some different way. So for instance, if you imagine you’ve got a protein that is really key to the bacterium, you find a drug that will bind at this point and inhibit it, and so there will be aminoacid changes at the point of interaction. If you find a different drug that will hit the molecule at some different point in the sequence, then these mutations won’t affect it and in order for the organism then to become resistant, it has to make mutations at a different point. And we know that some of the new drugs that are in the pipelines just have very different chemical structures from the ones that we’ve already been using as antibiotics. In some case there are new targets. And the nice thing about all of the genome sequencing of bacteria that’s taken place over the last few years, and we have the genomes now for about 500 organisms, there are about another 2,000 or 3,000 that are on the way, is that there are lots and lots of targets, potential targets that you can find. So I think there’s no shortage of sort of good targets that one might go after for bacteria, but there is a shortage of effort to go looking for antibiotics. You know, in general the drug companies are not very keen on looking for antibiotics because they have the disadvantage that they cure the disease and so there’s only a small amount of profit for them to make. The drug companies would much prefer to have something that alleviates the symptoms, that you have to take for the rest of your life and then you have a very nice profit margin. QUESTION. Do you believe that with the changing behaviour of human beings, the pathogenicity of bacteria or any other microbes has either evolved or has even gone down, besides the antibiotic resistance. RICHARD ROBERTS. Well, you know, we’re in a constant fight between the pathogens that would like to live on us and cause trouble and our ability to defend against them. And this is not something that is ever going to go away, you're going to continue to have this evolution, there will constantly be new pathogens, there will constantly be a need for us to be vigilant, to find ways of dealing with them. The bacteria have the advantage they in general can evolve very much faster than we are able to evolve. You know, if you’ve got a 30 minute lifetime, double in 30 minutes, we typically double in, even in the most favourable situations, every 14 years, chances of making mutations to accommodate diseases are very much in the favour of the bacteria. Fortunately our immune system is able to deal with some of these things more effectively, but there will always be this arms race between the pathogen and the host. It’s just one of these things, it’s going to happen. There will fortunately always be a need for microbiologists and for chemists and for scientists to work in this area and find new antibiotics and find better ways to deal with disease. QUESTION. Professor, don’t you think that some of the normal organism, for instance which live in the oral cavity, when there are lowered immunity states, they become pathogens. So why do you think that happens and how can antibiotics sort of overcome that or play a role in that. RICHARD ROBERTS. So the question really is, when we’re in a state of lower immune resistance to things, does this allow pathogens to become much more pathogenic if you like. And the answer is that whenever an organism becomes pathogenic, it just means that it’s able to grow and you can make lots of it. Provided you just have low levels of a pathogen, typically they don’t cause problems. This is why you can sit next to someone who has influenza or tuberculosis, provided you don’t get a significant dose of it, then your own immune system is typically able to take care of it. And so it’s really usually a question of the quantity of the organism that is produced. If you just keep it at very low levels, it’s not pathogenic, you don’t have any severe symptoms. On the other hand, if it grows to large levels because it’s not being contained, then you can get all of the symptoms of pathogenicity. And very often what happens is that as soon as you reach this critical point where you’re making a lot of the organism, it’s dividing rapidly. That will then compromise the body’s ability to mount an effective immune response. And this is what happens in the case of say cholera for instance. So low levels of vibrio cholerae are fine, but as soon as the organism starts to divide, the body just can’t keep track of it and can’t keep pace with it, our immune system is not good enough to hold really large quantities of the organism. Once again, thank you Richard for this wonderful exposé.

Guten Morgen allerseits und willkommen. Heute werden wir drei Vorträge hören, und anschließend gibt es eine Diskussion am runden Tisch. Unser erster Sprecher ist Richard Roberts von den New England Biolabs. Die Entdeckung, die er 1977 über die Mosaikstruktur der Gene machte, gelang ihm jedoch, als er an den Cold Spring Harbor Laboratories in Long Island, New York, arbeitete. Der Titel seines Vortrags lautet: Dr. Roberts, Sie haben das Wort. Vielen Dank. Nun, was ich heute zu tun versuchen werde, ist Folgendes: Ihnen eine Vorstellung davon zu geben, warum ich Mikroben absolut faszinierend finde. Ich denke, dass sie so interessant sind, dass ich alle von Ihnen ermutigen möchte, sich zu überlegen, in diesem Fachgebiet einmal zu forschen. Eine Sache, die mir an Mikroben gefällt, ist, dass es im Wesentlichen sehr einfache Organismen sind. Und es scheint mir möglich, dass wir - vorausgesetzt wir investieren in ihr Studium genug Energie – noch zu meinen Lebzeiten verstehen könnten, wie der einfachste Mikroorganismus funktioniert. Ich nehme an, dass wir als Biologen alle verstehen möchten, wie das Leben funktioniert. Wir werden zu meinen Lebzeiten nicht verstehen, wie der Mensch funktioniert, vielleicht auch nicht zu Ihren Lebzeiten. Doch ich denke, dass wir vielleicht verstehen könnten, wie Mikroben funktionieren. Für mich wäre das eine faszinierende Möglichkeit. Die Mikroben haben aus meiner Sicht den unschätzbaren Vorteil, dass die meisten von ihnen unentdeckt sind. Weniger als 1 %, vielleicht sogar weniger als 0,1 %, aller Mikroben auf diesem Planeten wurden bisher entdeckt, im Labor beschrieben und vermehrt. Die meisten Mikroben können wir nicht züchten. Ein Grund hierfür ist, dass viele von ihnen nur wachsen, wenn zwei oder drei oder vier von ihnen gemeinsam wachsen. Sie brauchen sich gegenseitig, um im Leben erfolgreich sein zu können. Viele von ihnen leben außerdem unter äußerst unwirtlichen Umständen. Ein oder zwei dieser Mikroorganismen werde ich Ihnen vorstellen. Darüber hinaus verfügen sie über eine bemerkenswerte Eigenschaft. Sie besteht darin, dass sie in uns leben: Unsere Körper sind im wahrsten Sinne des Wortes voller Mikroorganismen dieser oder jener Art. Sie leben auf unserer Haut, in unserem Mund, im Inneren unserer Körper. Wo immer Sie es sich vorstellen: Mikroorganismen leben dort. Und auch hierüber werde ich Ihnen etwas zeigen. Lassen Sie uns also mit einer kurzen Reise durch die Umwelt beginnen. Ich stelle Ihnen ein oder zwei Mikroben vor, die ich besonders interessant finde. Anschließend sprechen wir über den menschlichen Körper und seine Gesundheit und über die Art der Organismen, die in uns leben. Gehen wir also zum nächsten Dia. Ich möchte Ihnen dies zeigen, nur um Ihnen zu erklären, wie Mikroben…. Und unter Mikroben verstehe ich Bakterien und Archaeen, und dies hier sind die drei Reiche des Lebens. Ursprünglich nahm man an, dass es sich bei den Archaeen um Bakterien handelt, tatsächlich machen sie jedoch ein eigenes Reich des Lebens aus, wie von Carl Woese 1977 gezeigt wurde. Was dieser Baum des Lebens Ihnen zeigen soll, ist, wie hinsichtlich seiner Diversität alles miteinander verwandt ist. Die Eukaryoten, die großen Organismen, die Sie sehen Viele von diesen hier unten, Giardien usw., sind winzige Mikroorganismen, mikroskopisch kleine. Und alle diese anderen Organismen, die Bakterien und Archaeen sind, wie sie sehen, sehr weit weg. Sie sind nur entfernt mit uns verwandt. Und wir sitzen hier oben. Dies ist Homo und dies ist der Mais. Wir sind also mit dem Mais wesentlich enger verwandt als mit vielen anderen Organismen, von denen Sie das gedacht hätten. Wir sind von den Bakterien weit entfernt. Doch beachten Sie die Mitochondrien hier, die roten Organismen. Hierbei handelt es sich um kleine Organellen, die in uns leben, die Energie für uns produzieren und die sehr eng mit den Bakterien verwandt sind. Ich zeige Ihnen damit, dass die menschlichen Zellen, das menschliche Genom tatsächlich etwas enthält, was uns aus vielen verschiedenen Genomen im Laufe der Zeit zugewachsen ist. Der größte Teil der Vielfalt auf dieser Erde besteht aus Mikroben. Der größte Teil der Biomasse besteht aus Bakterien. Dies mag nur schwer zu glauben sein. Man ist gewissermaßen daran gewöhnt sich umzuschauen und das pflanzliche Leben und jede Menge Tiere zu sehen usw. Man kann sehr leicht zum dem irrigen Schluss gelangen, dass diese Organismen den größten Teil der Biomasse auf diesem Planeten ausmachen. Doch dies ist nicht der Fall. Den größten Teil der Biomasse auf diesem Planeten stellen die Mikroben dar. Nicht nur in uns, sondern auch in den Meeren. Die Meere schäumen von Mikroorganismen geradezu über. Selbst wenn Sie 5 Kilometer in die Erde graben, finden Sie Mikroorganismen, typischerweise 10 hoch 5 bis 10 hoch 6 pro Gramm des Erdmaterials, 5 Kilometer unter der Erde. Diese Wesen sind also überall: Sie sind in der Antarktis, unter dem Eis: an jedem Ort, den Sie sich vorstellen können. Und einer der Gründe, weshalb Sie sich nicht wirklich vorstellen können, wie viele Mikroorganismen es gibt, ist ihre Unsichtbarkeit. Es handelt sich bei ihnen um mikroskopisch kleine Organismen. Man muss durch ein Mikroskop schauen, um sie zu entdecken. Das erste Dia, das ich Ihnen hier zeige, ist ein Photosynthese treibender Organismus. Tatsächlich ist dieser Organismus insofern recht interessant, als er der erste Umweltverschmutzer auf diesem Planeten war. Als das Leben auf diesem Planeten entstand, begann es in einer anaeroben Umgebung. Es gab keinen Sauerstoff. Der meiste Sauerstoff lag in Mineralien im Inneren dieses Planeten oder im Wasser gebunden vor. Diese Organismen begannen damit, Photosynthese zu treiben. Sie begannen, Sauerstoff zu produzieren, und tatsächlich vernichteten sie den größten Teil der Lebewesen, die anaerob waren und die diesen freien Sauerstoff gar nicht mochten. Wie Sie sehen, sind es sehr schöne Organismen. Sie bilden diese schönen langen Ketten, und hin und wieder sehen Sie eine etwas größere Heterosis, eine sehr merkwürdige kleine Form dieses Organismus. Sie kann anaerob leben, während die andere Form aerob lebt. Wenn man das Erdreich untersucht, findet man überall, wo Stoffe verwesen, sogenannte Myxobakterien. Sie sehen aus wie kleine Pilze, nur dass man sie ohne Mikroskop nicht sehen kann, und sie bilden diese wunderschönen kleinen Fruchtkörper. Es sind sehr schöne kleine Fruchtkörper. Es sind im Wesentlichen Bakterien, die sich differenzieren können. Um zu überleben, können sie verschiedene Arten von Zellen und verschiedene Formen von Zusammenschlüssen von Zellen hervorbringen. Diese Organismen befinden sich überall im Boden. Viele von ihnen haben diese schöne orangene Farbe. Sie sind sehr, sehr schön. Manchmal sehen Sie sie als einen Film auf faulendem Holz. Es gibt sehr, sehr viele dieser Bakterien: Ohne sie wären wir wahrscheinlich voller Abfallstoffe irgendwelcher Art. Sie sind äußerst wichtig zur Beseitigung von Abfallmaterial. Diesen Organismus hier liebe ich: Er ist ein Beispiel für ein Spirillenbakterium. Er hat den Namen aquaspirillum magnetotacticum. Dieses Lebewesen existiert in den Weltmeeren. Es zeichnet sich durch eine sehr interessante Struktur aus, die hier in Schwarz dargestellt ist. Es handelt sich dabei um eine Anlagerung (Akkretion) von Eisen, und sie ist magnetisch. Dieser Organismus hat also in seinem Inneren einen Magneten gebildet, und er verwendet ihn zur räumlichen Orientierung. Er schwimmt in der Richtung des Magnetfelds der Erde. Wenn er sich auf der nördlichen Hemisphäre befindet, schwimmt er gerne nach Norden, befindet er sich auf der südlichen Hemisphäre, schwimmt er vorzugsweise nach Süden. Außerdem ist er sehr sensibel für das Gravitationsfeld, so dass er von der Wasseroberfläche nach unten schwimmt. Wir verstehen nicht wirklich, warum er dies tut. Es ist einfach ein Verhalten, das sich beobachten lässt. Es gibt verschieden Theorien hierüber. Einige Leute meinen, dass die Bakterien vor Feinden davon schwimmen, andere, dass sie zu ihrer Nahrungsquelle schwimmen. Doch warum das Bakterium einen Magneten hierfür verwenden sollte, ist vollkommen ungeklärt. Tatsächlich gibt es eine ganze Reihe von Organismen, man kennt 40 bis 50 verschiedene Arten, die dies tun können. Sie verfügen über kleine Magneten in ihrem Inneren, mit deren Hilfe sie sich orientieren. Dies ist ein weiterer Bewohner des Ozeans: ein wunderschöner Kalkröhrenwurm. Diese Wesen leben auf diesen Tiefseeschloten. Wie Sie wissen, befinden sich auf dem Grund der Ozeane zahlreiche Vulkane, viele Vulkane, in denen wir Magma und andere Materialien finden, die die Erde ausspuckt. Manchmal werden sie auch als „Schwarze Raucher“ bezeichnet. Sie wurden um die Mitte der 1970er Jahre von ozeanographischen Tiefsee-U-Booten entdeckt, in der Hauptsache von Woods Hole. Und diese Schlote enthalten Magma. Dampf mit ungeheuer hohen Temperaturen kommt aus ihnen heraus, mit bis zu 1000°C. Dies spielt sich an zahlreichen Stellen mitten im tiefen Ozean ab, so dass sich diese großen Temperaturgefälle entwickeln: zwischen den Schwarzen Rauchern und dem Material mit einer Temperatur von 1000°C, das sie abgeben, und dem Ozean, der dort normalerweise eine Temperatur von 4°C oder 5°C hat. Und wie man festgestellt hat, gibt es viele derartige Organismen, die bevorzugt in dieser Zone zwischen den Schwarzen Rauchern und dem umgebenden Ozean leben, wo die Temperaturen von um die 100°C bis plötzlich herab auf 5°C liegen. Dort leben zahlreiche Bakterien und Archaeen. Besonders die Archaeen lieben diese Umgebung, doch es gibt hier auch Eukaryoten. Und einer dieser Eukaryoten ist dieser Kalkröhrenwurm. Dies ist tatsächlich ein Wurm: Dies ist die Schutzumhüllung des Wurms und dies ist die fedrige Plume. In der Mitte dieses Wurms befindet sich ein riesengroßes Bakterium. Ohne das Bakterium könnte der Wurm nicht existieren. Das Bakterium nutzt all die Mineralien und die Energie, die aus diesen tiefen Schloten kommt, und verwendet sie zur Herstellung von Stoffen, die den Wurm am Leben erhalten. Das ist so bizarr. Man findet diese Würmer überall. Sagen wir also, man hätte sich vorstellen können, dass diese Wesen in einem bestimmten Schwarzen Raucher entstanden sind und sich von dort aus ausgebreitet haben. Wo immer diese Schlote im Ozean zu finden sind, begegnet man diesen Kalkröhrenwürmern und findet man diese wunderschönen Bakterien, die in ihrem Inneren leben. Nun, wenn wir zum Yellowstone Nationalpark gehen – es gibt viele solcher Parks, doch bin noch in keinem gewesen, der so schön ist wie der Yellowstone –, dies ist meine touristische Werbung: Wenn Sie jemals die Gelegenheit bekommen, den Yellowstone Nationalpark zu besuchen, dann sollten Sie dies tun. Es ist einfach ein fantastischer Ort. Es ist eine vulkanische Caldera und es gibt dort zahlreiche heiße Quellen und viele Geysire. Der Boden ist an vielen Stellen des Yellowstone Nationalpark noch immer extrem heiß. Und es gibt wunderbare Beispiele von Bakterien und Archaeen, die dort leben. Sehen wir uns einige dieser warmen Teiche und Wasseransammlungen genauer an: Hier ist ein warmer Tümpel, und hier ist etwas heißes Wasser, das in ihn hineinfließt. Man findet hier jede Menge dieser phototropen Organismen, die dort leben. Man erkennt sie an diesen wunderschönen Farben. Sie bilden Bakterienfilme. Wenn man sich den Querschnitt dieser Filme ansieht, stellt man fest, dass sich an ihrem oberen Rand Organismen befinden, die eine bestimmte Wellenlänge des Lichts verwenden, um Photosynthese zu betreiben und Energie zu erzeugen. Und unterhalb dieser oberen Schicht findet man Bakterien, die das restliche Licht nutzen. Und wenn man nur wenige Zentimeter unter die Oberfläche geht, gelangt kein Licht mehr dorthin, da alles Licht bereits von den Bakterien aufgebraucht wurde, die sich entwickelt haben, um es zu nutzen. Sie bilden alle rund um diese Wasseransammlungen diese wunderschönen Farben aus, und es sind alles Bakterienfilme. Dies ist auch beispielsweise der Ursprung des Enzyms Taq-Polymerase von Thermos aquaticus. Ein Mann namens Brock, ein sehr berühmter Mikrobiologe, entdeckte diesen Organismus in Yellowstone. Tatsächlich ist dies der Ort, an dem wir heute Polymerase-Kettenreaktionen (PCR) und alle diese wunderbaren Dinge durchführen können: aufgrund des Organismus, der aus dieser heißen Quelle kam. Normalerweise leben Organismen hier zwischen 80°C und 100°C. Stellen Sie sich das vor: bei 100°C. Normalerweise ist Ihre DNA bei dieser Temperatur völlig denaturiert. Doch diese Organismen haben Wege gefunden, die DNA-Stränge getrennt zu halten. Ein weiteres schönes Phänomen, dem Sie im Yellowstone-Nationalpark begegnen können, sind diese schönen Schwefelquellen. Diese gelbe Farbe hier ist ein Hinweis auf das Element Schwefel in reiner Form. Es wird von diesen archaischen Organismen, Sulfolobus und Sulfotaracus, produziert, die den Schwefelwasserstoff nutzen können, der aus dieser Quelle kommt. Und sie können ihn dann oxydieren, dadurch Schwefel erzeugen und auf diese Weise genug Energie gewinnen, um sich am Leben zu erhalten. Wundervolle Organismen, viele, viele Beispiele dafür, wenn wir uns umschauen. Nun möchte ich statt über die Umwelt im Allgemeinen über unsere „örtliche“ Umwelt reden: über uns Menschen und die Bakterien, die in uns leben. Wir sind uns häufig nicht all der Bakterien bewusst, die in uns leben – bis wir krank werden. Viele von uns erkranken an einer schlimmen Infektion, die vielleicht von einem Staphylococcus ausgelöst wird. Als ich ein Kind war, bevor es Antibiotika gab, bekam ich jedes Mal, wenn ich mich am Bein schnitt, eine böse, eitrige Infektion. Furchtbar war das. Heute kann man all das mit Antibiotika behandeln, obwohl wir Antibiotika wahrscheinlich häufiger einsetzen, als wir dies tun sollten. Doch es gibt viele, viele Organismen, denen wir begegnen und die uns keine Probleme bereiten. Ich werde Ihnen ein oder zwei von ihnen vorstellen, die für uns problematisch sind. Denn obwohl sie Probleme verursachen, sind es dennoch höchst interessante Organismen. Sie haben wunderbare „Lifestyles“: Sie können alle möglichen interessanten Dinge tun. Und es gibt so viele in uns lebende Organismen die vollkommen harmlos sind. Tatsächlich sind andere sehr, sehr gut für uns. Sie werden als Probiotika bezeichnet, und ich werde gegen Ende meines Vortrags über sie sprechen. Vorher möchte ich jedoch ein wenig über die Zellen reden, aus denen wir bestehen, und den Menschen mit den Bakterien vergleichen. Normalerweise besteht ein Mensch aus 10 hoch 13 Zellen, d. h. menschlichen Zellen, und außerdem aus 10 hoch 14 Bakterien. Im Körper des Menschen befinden sich also 10mal so viele Bakterien wie körpereigene Zellen. Die Zahl der Stämme des Menschen beträgt 1, bei den Bakterien würde ich eine Zahl von über 400 annehmen. Tatsächlich wissen wir unter dem Strich wirklich nichts Genaueres darüber, wie viele verschiedene Arten von Bakterien in uns leben. Gegenwärtig gibt es eine Reihe von Forschungsprojekten, die die Genome sämtlicher Bakterien untersuchen, die mit dem Menschen verbunden sind. Man untersucht Proben der Haut, aus dem Mund, dem Magen usw., um ein Gefühl dafür zu bekommen, genau wieviele Stämme es gibt. Ich bin der Meinung, dass es sehr leicht 10mal so viele sein könnten, es könnten leicht 4000 sein. Wir wissen es zum gegenwärtigen Zeitpunkt einfach nicht. Die meisten dieser Organismen können wir nicht in Kulturen züchten. Wir wissen von ihrer Existenz nur, weil wir ihre DNA studieren können. Wir können uns ihren ribosomalen Inhalt ansehen, den Inhalt der ribosomalen DNA, und eine Vorstellung davon gewinnen, wie groß ihre Vielfalt ist. Doch sie ist wirklich immens: Bakterien gibt es überall. Wenn wir uns den Umfang der DNA-Basen ansehen – in einer typischen menschlichen Zelle gibt es etwa 3 Milliarden – wenn wir alle DNA-Basen aufaddieren, die einzelnen Gene, die einzelnen Sequenzen in diesen verschiedenen Bakterienstämmen, so haben wir es vielleicht mit einem Drittel der DNA-Basen zu tun. Doch das entspricht wesentlich mehr Genen. Also diese 3 mal 10 hoch 9 DNA-Basen in einer Zelle des Menschen – die Schätzung beläuft sich auf 30.000, oder vielleicht auf nicht mehr als 25.000, die Zahl scheint ständig zurückzugehen, die Zahl der Gene, die wir haben. Und die Zahl der Bakteriengene steigt wahrscheinlich ständig weiter an. Daher gibt es sehr viel mehr Bakteriengene, die mit unserem Körper verbunden sind, als es Gene des Menschen gibt. Auch das sollte man sich einmal klarmachen. Die Population der Bakterien ist hinsichtlich ihrer Diversität sehr, sehr viel größer als unsere. Ich möchte Ihnen nun kurz eine Vorstellung davon geben, wo große Anzahlen von Bakterien typischerweise vorkommen. Auf der Haut findet man Staphylokokken. Es gibt einen sehr schönen Organismus namens Staphylococcus epidermidis. Manchmal zeige ich ihn auf einem Dia. Er lebt in den Poren unserer Haut und ist im Wesentlichen unempfindlich gegen alles, was wir tun. Sie können sich die Hände und die Arme den ganzen Tag lang waschen: Diese Organismen stört es nicht, weil die Seife wirklich niemals bis zu ihnen vordringt. Sie haben gute Methoden entwickelt, sich zu verstecken. Außerdem gibt es viele verschiedene Arten von Corynebakterien. Ich will sie hier nicht alle durchgehen. In unserem Mund lebt eine recht interessante Ansammlung von Organismen. Ungefähr ein Zehntel der Organismen, von denen wir erkannt haben, dass sie in unserem Mund leben, haben wir weder in Kulturen züchten noch auf irgendeine vernünftige Weise identifizieren können. Von den meisten Organismen wissen wir nicht, was sie machen. Wir wissen nicht, warum sie dort sind, und wir wissen überhaupt sehr wenig über sie. Auch in den Luftwegen, im Magendarmkanal und im Urogenitalsystem befinden sich alle möglichen Organismen. Und natürlich haben wir es hier mit Organismen zu tun, die Probleme verursachen können. Viele dieser Organismen sind Krankheitserreger, viele andere von ihnen hingegen nicht. Und tatsächlich sind selbst die pathogenen Organismen in mancher Hinsicht sogar ein wenig hilfreich, da einige der Organismen, die in uns leben, die nützlich für uns sind, Verbindungen produzieren, die diese pathogenen Organismen unter Kontrolle halten. Zwischen den Mikroorganismen besteht ein ständiger Kampf. Sie alle wollen in dieser kleinen Nische leben. Daher stellen viele der Organismen, die uns eher nützlich sind, Verbindungen her, die uns diese Pathogene vom Leib halten, was eine gute Sache ist. Das folgende Dia liebe ich: Es zeigt genau, was passiert, wenn man niest und es nicht unterdrückt, und dies ist der Weg, auf dem sich sehr, sehr viele dieser pathogenen Organismen vorzugsweise verbreiten. Sie leben gerne in den Nasenhöhlen, im Rachen und im Mund usw. und dies ist die Art von Aerosol, das bei jedem Niesen produziert wird. Natürlich befinden sich Mikroorganismen darin und sie verbreiten sich ständig. Sie haben wahrscheinlich über die jüngste Tuberkulosegefahr in den US gehört. Die Tuberkulose verbreitet sich auf diese Weise. Sie ist ein unglaublich gefährlicher Organismus, was ihre Ansteckungsgefahr betrifft. Es handelt sich bei ihr um einen äußerst bösartigen Erreger. Nun, die Geschichte der Krankheit geht auf das Jahr 1877 zurück. Tatsächlich war Anthrax der erste Organismus, von dem definitiv gezeigt werden konnte, dass er eine Krankheit verursacht. Dies zu beweisen gelang dem bedeutenden Mikrobiologen Robert Koch. Er entdeckte später noch eine ganze Reihe anderer Dinge. Außerdem stellte er die Regeln auf, anhand deren entschieden wird, ob wir etwas als einen ursächlichen Erreger bezeichnen oder nicht. Weiter hier unten sehen Sie jede Menge wirklich übler Erkrankungen, die von diesen Mikroorganismen verursacht werden. Über ein oder zwei von ihnen werde ich Ihnen etwas ausführlicher berichten. Es gibt eine lange Geschichte und es war offensichtlich etwas, für das sich Mikrobiologen sehr interessiert haben. Man möchte immer wissen, welche Organismen Krankheiten verursachen und dann natürlich, wie man damit am besten verfährt, wie man sie eindämmen kann. Ein Organismus, über den ich sehr gern rede, ist Helicobacter pylori. Dies ist ein Organismus, der in ihrem Magen lebt, im Endothel. Vor zwei Jahren war dieser Organismus der Gegenstand des Nobelpreises in der Medizin, als Marshall und Warren den Preis dafür erhielten, weil sie zeigten, dass dieser Organismus die Ursache von Magengeschwüren sein kann. Vorher hatten die Pharmaunternehmen geglaubt, dass man, wenn man ein Magengeschwür hat, lediglich ein säurebindendes Mittel zu sich nehmen muss. Dies würde das Problem der Säure im Magen lösen, doch es war völlig wirkungslos gegen die Ursache der Krankheit. Und Barry Marshall führte das klassische Experiment durch, das viele Ärzte gerne durchführen. Er war davon überzeugt, dass Helicobacter die Ursache der Infektion war, dass er die Ursache der Magengeschwüre war, und daher kultivierte er einige in seinem Labor und trank sie. Tatsächlich entwickelte er innerhalb weniger Tage ein Magengeschwür, und glücklicherweise waren Antibiotika gegen den Helicobacter, den er zu sich genommen hatte, wirksam und er konnte sich sehr schnell heilen. Man kann in der Tat die meisten durch Helicobacter pylori verursachten Magengeschwüre durch die Einnahme von Antibiotika kurieren. Der Pharmaindustrie gefiel das natürlich überhaupt nicht, weil der Verkauf von Magensäureblockern drastisch zurückging. Doch dennoch ist dies der Fall. Dies hier ist ein echter Helicobacter pylori. Dies zeigt die Bakterienzelle, wie sie sich an eine der Epithelzellen anheftet, die den Magen auskleiden. Und wie sie sehen, führt es zu einer sehr engen Wechselwirkung. Tatsächlich ist bekannt, dass Helicobacter pylori Krebs verursachen kann. Das Bakterium kann Magenkrebs und auch Speiseröhrenkrebs verursachen, wenn man an einem Säure-Reflux leidet. Wir wissen nicht, wie dies im Einzelnen geschieht, doch es gibt sehr deutliche Hinweise darauf, dass dies geschehen kann. Nun, die meisten von uns, die wir in der westlichen Welt leben, haben nur noch wenige Bakterien von Helicobacter pylori im Magen. In den Entwicklungsländern ist jedoch fast jeder infiziert, und zwar schon ab einem sehr frühen Alter. In der westlichen Welt nehmen wir jedoch so viele Antibiotika zu uns, dass wir diese Population in der Regel beseitigt haben. Ein Mann namens Martin Blaser von der medizinischen Fakultät der Universität New York hat kürzlich diesen Organismus untersucht und herausgefunden, dass es eine enge Korrelation zwischen einer Infektion mit Helicobacter pylori und der Anfälligkeit für Asthma gibt. Und es hat sich herausgestellt, dass man – wenn man eine starke Infektion mit Helicobacter pylori hat, fast so gut wie nie an Asthma erkrankt. Und in dem Maße, wie die Infektionsrate von Helicobacter pylori in einer Bevölkerung zurückgeht, steigt die Zahl der an Asthma Erkrankten. Er ist davon überzeugt, dass es sich hierbei um eine Kausalbeziehung handelt. Es ist noch zu früh, um sich in dieser Sache sicher sein zu können; doch der Zusammenhang deutet auf die Tatsache, dass viele Bakterien in uns leben, die wir durch die unbedachte Verwendung von Antibiotika unterschiedslos abtöten, und dass es hierdurch sehr wohl zu zahlreichen verschiedenen, unbeabsichtigter Folgen kommen kann. Ich zeige Ihnen nun einen sehr schönen Organismus, auf diesem schönen Dia. Es ist einer dieser Spirillum-Organismen. Er heißt Borrelia und verursacht die Borreliose. Vibrio cholerae ist derjenige Organismus, der die als Cholera bekannte Krankheit verursacht. Dennoch ist Vibrio cholerae sehr interessant. Es ist ein kleiner Mikroorganismus, der mit einem großen eukaryotischen Organismus namens Volvox zusammenlebt. Und er sitzt tatsächlich fast ausschließlich auf der Oberfläche von Volvox, so dass man, wenn man eine Cholera-Infektion vorliegen hat und glaubt, dass Wasser verunreinigt ist, allein durch das Filtern des Wassers durch ein sehr eng gewebtes Tuch, etwa einen Sari, den größten Teil der Vibrio-Organismen aus dem Wasser entfernen kann. Sehr einfache Maßnahmen der öffentlichen Gesundheit können hier nützlich sein. Dies ist ein weiteres Spirillum, Trepanoma, das die Parodontose verursacht. Yersinia pestis ist der Erreger der Pest. Dies ist der Organismus, der im Mittelalter in Europa die Pandemie des Schwarzen Todes herbeiführte. Das nächste Dia zeige ich stets besonders gern: das Dia der kleinen Beulen, die von diesem Organismus verursacht werden. Und wenn man eine starke Infektion hat, bekommt man einen starken Wundbrand (Gangrän) an den Fingern, den Zehen und am Brustkorb. Wenn man dieses Stadium erreicht hat, lässt sich fast nichts mehr an der Erkrankung machen. Wenn man sie jedoch früh erkennt, lässt sie sich mit Antibiotika erfolgreich behandeln. Zum Schluss möchte ich Ihnen noch etwas über Lactobacillus erzählen. Lactobacillus ist einer von den Organismen, die wir für probiotisch halten. Sie sind sehr nützlich für uns. Man findet diesen Organismus in Joghurt. Joghurt zu essen, wenn man ihn mag, ist eine wunderbare Sache. Mir selbst schmeckt er nicht, aber ich würde ihn allen von Ihnen empfehlen. Diese Organismen stellen Verbindungen her, die viele der pathogenen Organismen unter Kontrolle halten. Es gibt zahlreiche Organismen, die dies tun, Bifidobacterium ist ein weiterer, den man manchmal in Joghurt findet, doch es gibt tatsächlich jede Menge Mikroorganismen, die Wunderbares für uns leisten. Wir wollen sie in unserem Körper haben, wie wollen, dass sie in uns leben, weil sie Krankheitserreger unter Kontrolle halten. Schließen möchte ich mit der Bitte an sie wenden, sich etwas vorzustellen, was ich recht außerordentlich finde. Hier sind wir also: Wir sind Menschen, wir laufen herum, wir sind randvoll mit Bakterien, sie leben überall in uns und haben es gut dabei. Wenn wir evolvieren, wie Menschen evolvieren, werden die Bakterienpopulationen ebenfalls evolvieren. Die beiden leben also tatsächlich in einer wunderbaren Symbiose: Wir evolvieren zusammen. Und es fällt nicht schwer sich vorzustellen, dass Menschen vielleicht von Bakterien erfunden wurden, um einen schönen Lebensraum abzugeben. Ich danke Ihnen. Vielen Dank. Sie haben sich gut an die Zeit gehalten. Wir haben daher Zeit für Fragen. Hat jemand eine Frage? FRAGE. Ich denke, dass viele Menschen heute Antibiotika verwenden und ich denke, dass es vielleicht eine Beschädigung der mikroorganismischen Flora des Menschen darstellt. Halten Sie es für ein ernstes Problem, dass wir zu viele Antibiotika verwenden? RICHARD ROBERTS. Ja, Antibiotika, wissen Sie, sind wirklich das Wundermedikament. Sie waren das Wundermedikament, als man sie entdeckte, und wir missbrauchen sie sehr. Wir verabreichen sie Rindern und auf diese Weise gelangen sie in Fleisch und in unsere Nahrungskette. In der westlichen Welt ist es gewiss so, dass wir Antibiotika beim geringsten Anzeichen einer Infektion Wir verwenden sie viel zu häufig. Die Sache wird wirklich klar, wenn man sich die Tuberkulose als eines der besten Beispiele hierfür ansieht. Als ich Kind war, war die Tuberkulose ein großes Problem. Wenn man – in England – Tuberkulose hatte, wurde man in ein Sanatorium gesteckt. Man wurde vom Rest der Bevölkerung isoliert, um die Ausbreitung der Krankheit zu verhindern. Dann standen Antibiotika zur Verfügung, man konnte eine Infektion mit Microbacterium tuberculosis heilen, und alle Welt hörte auf, sich darüber Sorgen zu machen. Jetzt haben wir einen Punkt erreicht, an dem es von Microbacterium tuberculosis sehr, sehr viele Stämme gibt, die resistent gegen Medikamente sind. Wenn Sie – Gott bewahre – jemals in Russland ins Gefängnis kämen, dann wäre es sehr wahrscheinlich, dass Sie mit einer bösen Tuberkulose-Infektion wieder herauskämen. Weltweit sterben jährlich mehr als eine Million Menschen an Tuberkulose, und die Regierung der USA hat in ihrer Weisheit schon vor vielen, vielen Jahren beschlossen, die Erforschung von Microbacterium tuberculosis nicht weiter zu finanzieren. Sie hat erst kürzlich damit begonnen, sie finanziell zu unterstützen, und die Tuberkulose ist heute wieder zu einem großen Problem geworden. Und um Ihre Frage zu beantworten: Ja, wir sind mit den Antibiotika, die uns zur Verfügung standen, völlig falsch umgegangen. Und es gibt nur sehr wenig neue, neue Arten von Antibiotika, die in nächster Zeit verfügbar werden. Einige neue erscheinen, doch wir haben diese Forschung sehr lange vernachlässigt. FRAGE. Ich bin Arzt und komme aus Pakistan. Ich war fasziniert, als ich erfuhr, dass die intravesikale Therapie der Tuberkulose gegen Blasenkrebs eingesetzt wird. Als ich die Literatur zu Rate zog, stellte ich fest, dass viele Viren als Anti-Tumor-Mittel verwendet werden. Glauben Sie, dass dies ein vielsprechendes Gebiet ist: der Einsatz von Mikroben zur Behandlung von Krebs? RICHARD ROBERTS. Also, Ihre Frage richtet sich auf die Verwendung von Mikroben und Viren zur Behandlung von Krebs. Ich fürchte, dass ich darüber nichts weiß. Ich bin in dieser Sache völlig unwissend. Mir ist bekannt, dass man bakterielle Phagen zur Behandlung bakterieller Infektionen verwendet. Dies ist etwas, womit man sich in Russland seit sehr langer Zeit beschäftigt. Über die Behandlung von Krebs mithilfe von Mikroorganismen weiß ich jedoch nichts. Vielleicht können wir später noch darüber reden. Ich würde sehr gerne mehr darüber erfahren. FRAGE. Ich möchte Folgendes wissen: Zahlreiche Unternehmen verkaufen heute mit Probiotika veränderte Lebensmittel: Ist es wirklich erwiesen, dass es wesentlich besser für uns ist, diese teuren Lebensmittel zu kaufen? RICHARD ROBERTS. Nun ja, ich denke, es ist wirklich schwer zu wissen. Das Problem mit den Mitteln zur Unterstützung der Gesundheit, den Nahrungsergänzungsmitteln, besteht darin, dass sie nicht reglementiert sind. Daher ist es ein offensichtlicher Markt für irgendeinen Scharlatan, der daherkommt und versucht, Ihnen ein Quacksalberprodukt zu verkaufen. Ich denke, dass einige der Probiotika, wenn man sagt, was genau sich darin befindet und besonders wenn sie Lactobacillus oder wenn sie Bifidobacterium enthalten, wahrscheinlich tatsächlich gesundheitsfördernd sind. Doch ich glaube ebenso, dass es zahlreiche Produkte auf dem Markt gibt, die man besser meidet. Ich empfehle Ihnen, dass Sie – wenn Sie wirklich Probiotika verwenden wollen – unbedingt Joghurt essen sollten. Joghurt ist sehr gesund, nur schmeckt er nicht. FRAGE. Sie sprachen über die Koevolution der Bakterien und des Menschen. Im Fall von Helicobacter pylori, sagten Sie, seien die meisten Menschen in den Entwicklungsländern mit diesen Bakterien infiziert. Es kommt jedoch bei den meisten Menschen nicht zum Ausbruch einer Krankheit. Was meinen Sie: Handelt es sich dabei um einen Krankheitserreger ober um einen Symbionten? RICHARD ROBERTS. Okay, die Frage richtet sich auf Helicobacter pylori und die Tatsache, dass die meisten Menschen in den Entwicklungsländern mit Helicobacter pylori infiziert sind. Die meisten dieser Infektionen sind relativ unterschwellig. Man hat also den Organismus, doch keine damit zusammenhängenden ernsthaften Krankheitssymptome. Wir wissen nicht wirklich, warum man plötzlich eine mit Helicobacter zusammenhängende Krankheit bekommt. In der westlichen Welt mag es einen Zusammenhang mit der Ernährung oder mit anderen Organismen geben, die hinzukommen. In den Entwicklungsländern sind die Fälle von durch Helicobacter verursachten Magenkrebs sehr selten, obwohl es von Zeit zu Zeit einige Fälle gibt. Anderswo ist die Häufigkeit wesentlich größer. Ich denke jedoch, dass das wirkliche Problem darin besteht, dass das ganze Mikrobiom, der Satz an Mikroben, der in einer Population lebt, sich ändert, wenn man von einer Population zu einer anderen geht. Daher muss man also nicht nur an Helicobacter pylori denken, sondern auch an alle anderen Organismen, die man typischerweise findet. Und viele von ihnen sind in der westlichen Welt einfach nicht anzutreffen. Demnach haben wir noch einen langen Weg vor uns. Wissen Sie: Wenn wir erkennen, dass wir die meisten der in uns lebenden Organismen nicht kennen und dass wir nicht wissen, was sie tun, ist es sehr leicht, eine Hypothese aufzustellen und sehr viel schwieriger, sie zu testen, weil wir es hier mit komplizierten Lebensräumen zu tun haben, in denen diese Organismen leben. FRAGE. Meine Frage lautet: Wie können wir dem Problem der Resistenz gegen mehrere Medikamente begegnen? Meinen Sie, wir müssten einen universalen Angriffspunkt finden, damit wir in Zukunft nicht mehr nach neuen Antibiotika suchen müssen? RICHARD ROBERTS. Nun gut, ich denke, die ganze Sache bezüglich der mehrfachen Resistenz gegen Medikamente bedeutet, dass wir neue Medikamente finden müssen, und typischerweise bedeuten neue Medikamente nicht neue Angriffspunkte, manchmal ist das so. Allerdings handelt es sich hierbei um unterschiedliche Klassen von Verbindungen, die sich gegen ein bekanntes Angriffsziel richten, obwohl auf andere Weise. Wenn sie sich beispielsweise vorstellen, dass Sie es mit einem Protein zu tun haben, das für das Bakterium eine Schlüsselfunktion erfüllt, und dass Sie ein Medikament finden, das an dieser Stelle eine Bindung eingeht und die Funktion des Proteins hemmt, so wird es zu einer Aminosäurenänderung am Punkt der Wechselwirkung kommen. Wenn Sie ein anderes Mittel finden, das das Molekül an demselben Punkt in der Sequenz trifft, dann haben diese Mutationen keine Wirkung darauf. Damit der Organismus dann resistent wird, muss es zu Mutationen an einer anderen Stelle kommen. Wir wissen, dass einige der neuen Medikamente, die zur Zeit entwickelt werden, eine von den Medikamenten, die wir als Antibiotika verwenden, sehr verschiedene Struktur haben. In manchen Fällen, richten sie sich gegen neue Angriffspunkte. Das Schöne an der Tatsache, dass wir im Laufe der letzten paar Jahre so viele Genomsequenzen von Bakterien analysiert haben ist Folgendes: Es gibt zahllose Angriffspunkte, die wir finden können. Ich denke also, dass es keinen Mangel an guten Angriffspunkten gibt, gegen die wir uns bei Bakterien richten können, doch es fehlt an Anstrengungen bei der Suche nach Antibiotika. Im Allgemeinen, wissen Sie, sind die Pharmaunternehmen nicht sehr darauf bedacht nach Antibiotika zu suchen, da sie den Nachteil haben, dass sich mit ihnen die Krankheit heilen und daher nur ein geringer Gewinn erzielen lässt. Die Pharmaunternehmen hätten viel lieber etwas, was die Symptome erleichtert, was man für den Rest seines Lebens einnehmen muss. Dann ergibt sich eine sehr schöne Gewinnspanne. FRAGE. Glauben Sie, dass sich – außer der Resistenz gegen Antibiotika – aufgrund des veränderten Verhaltens der Menschen die Pathogenität der Bakterien oder irgendwelcher anderer Mikroben entweder entwickelt hat oder zurückgegangen ist? RICHARD ROBERTS. Nun ja, wissen Sie, wir befinden uns in einem ständigen Kampf zwischen den Pathogenen, die gerne in uns leben und uns Probleme bereiten möchten, und unserer Fähigkeit, uns gegen sie zu wehren. Dies ist nicht etwas, was irgendwann einmal aufhören wird. Diese Evolution wird weitergehen. Es wird ständig neue Krankheitserreger geben, es wird stets erforderlich sein, dass wir davor auf der Hut sind, dass wir Wege finden, mit ihnen fertig zu werden. Die Bakterien haben den Vorteil, dass sie sehr viel schneller evolvieren können, als es uns möglich ist. Wenn Sie eine Lebenszeit von 30 Minuten haben, wenn Sie sich in 30 Minuten vermehren dann ist die Wahrscheinlichkeit, Mutationen zu finden, die mit Krankheiten fertig werden, im Falle von Bakterien sehr viel höher. Glücklicherweise ist unser Immunsystem in der Lage, mit einigen dieser Dinge effektiver umzugehen, doch diesen „Rüstungswettlauf“ zwischen dem Krankheitserreger und dem Wirtsorganismus wird es immer geben. Er gehört einfach zu den Dingen, die eben nun einmal immer geschehen. Zum Glück wird es immer einen Bedarf an Mikrobiologen und Chemikern geben und an Wissenschaftlern, die auf diesem Gebiet arbeiten und neue Antibiotika und bessere Wege finden, mit Krankheiten fertig zu werden. FRAGE. Herr Professor, meinen Sie nicht, dass einige der normalen Organismen, die beispielsweise in der Mundhöhle leben, zu Krankheitserregern werden, wenn es zu einer Schwächung der Immunität kommt? Warum ist dies nach Ihrer Meinung so, und wie können Antibiotika dies verhindern oder eine Rolle hierbei spielen? RICHARD ROBERTS. Die Frage ist also eigentlich: Wenn wir uns in einem Zustand geringerer Immunität befinden: Erlaubt dies Krankheitserregern sozusagen „krankmachender“ zu werden? Die Antwort hierauf lautet, dass ein Organismus pathogen wird, wenn es ihm gelingt, zu wachsen und sich stark zu vermehren. Wenn Sie nur wenige Erreger in sich haben, führt dies in der Regel zu keinen Problemen. Dies ist der Grund dafür, warum Sie neben jemandem sitzen können, der eine Grippe oder Tuberkulose hat: Solange Sie keine größere Anzahl der Erreger aufnehmen, kann Ihr eigenes Immunsystem normalerweise damit fertig werden. Es ist also normalerweise eigentlich eine Frage der Anzahl der Organismen, die entstehen. Wenn er sich kaum vermehrt, ist er nicht pathogen und sie erleiden keine schweren Symptome. Wenn der Organismus sich andererseits sehr stark vermehrt und nicht eingedämmt werden kann, dann erleiden sie sämtliche Symptome seiner Pathogenität. Und was oft geschieht ist Folgendes: Sobald dieser kritische Punkt erreicht ist, ab dem zahlreiche Organismen vorhanden sind, vermehrt er sich sehr schnell. Hierdurch wird dann die Fähigkeit des Körpers, durch seine eigene Abwehr der Lage Herr zu werden, beeinträchtigt. Und dies geschieht zum Beispiel im Fall der Cholera. Mit geringen Anzahlen von Vibrio cholerae wird der Körper fertig, doch sobald der Organismus beginnt, sich stark zu vermehren, kommt die körpereigene Abwehr dem nicht mehr nach und kann damit nicht Schritt halten. Unser Immunsystem ist nicht leistungsstark genug, um mit großen Mengen des Organismus fertig zu werden. Habe nochmals vielen Dank, Richard, für dieses wunderbare Exposé.

Richard Roberts (2007)

Why I love microbes

Richard Roberts (2007)

Why I love microbes

Abstract

We live in a fascinating world surrounded by life. Much of that life is clearly visible like the plants and animals that we see every day. However, far more is invisible to the naked eye and it is to this realm, the microscopic world, that I will take you. These unseen bugs can be friends such as the Bifidobacteria that we find in yoghurt or they can be our deadly foes such as Yersinia pestis, the bacterium that caused the Black Death and decimated Europe in the Middle Ages. This unseen world is fascinating and is far richer and more complicated than the macroscopic world of elephants and giraffes.

These organisms live in and on our bodies as well as in every environment, even the harshest, found on earth. They may also live elsewhere in the solar system! Without these bugs we would be unable to survive on earth and yet we know rather little about them. We don't even know how many different kinds there are. Perhaps your skin will crawl just a little when you realize how many passengers, both friendly and unfriendly, are riding around with you and lying in wait in the oceans and jungles.

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