بيولوجيا المجتمعات الميكروبية -- مقابلة

أنا روبرتو كولتر، أستاذ في علم الأحياء الدقيقة والوراثة الجزيئية هنا في كلية الطب بجامعة هارفارد، وأعمل هنا منذ عام 1983. أدير مختبرًا يضم حوالي 10 أشخاص، جميعهم من باحثي ما بعد الدكتوراه والمهتمين بعدد من المجالات في العالم الميكروبي.

لذا، إذا سمحت لي أن أبدأ بالقول - لأنكم قد ترغبون في طرح بعض الأسئلة المحددة عليّ - فإن مختبري متنوع بعض الشيء من حيث نوع العمل الذي يتم القيام به. فهناك مختبرات تركز بشكل كبير على مجالات معينة، بينما ما يميز مختبري هو أن كل باحث ما بعد الدكتوراه هنا يركز على مجال محدد، ولكن لا يكاد يكون هناك أي تداخل بين باحث وآخر.

لذا، قد يكون من الصعب عليّ أن أوضح لكم طبيعة مختبري وعملي، ليس فقط لأن هذا العمل يغطي مجالات عديدة، ولكن لأنه كان مختلفاً تماماً قبل خمس سنوات عما هو عليه الآن. فقبل 10 سنوات، كنا نعمل بشكل أساسي على ما كان يُعرف بفسيولوجيا الطور الساكن، وهو ما يحدث للخلايا التي لا تنمو بنشاط.

وكان ذلك في ذلك الوقت نتيجة لمزيج من الأحداث التي بدأت قبل 10 سنوات، حيث بدأنا بطرح تلك التساؤلات. وبحلول ذلك الوقت، كان المجال، وأقصد علماء الفسيولوجيا الميكروبية بشكل عام، قد تكييفوا مع فكرة ضرورة دراسة البكتيريا التي لا تنمو، لذا قررت في ذلك الوقت التخلي عن ذلك إلى حد ما والتوجه نحو البكتيريا التي لم تكن تنمو أو لا تنمو فحسب، بل كانت تنمو على الأسطح أو على الأقل تعتمد في معيشتها على الأسطح. كان هذا هو مفهوم الأغشية الحيوية (biofilms)، وفي منتصف التسعينيات، كان المهندسون مهتمين بذلك بسبب مشكلات التدفق في الأنابيب وما إلى ذلك.

لكن علماء الفسيولوجيا الميكروبية وعلماء الوراثة لم يولوا اهتماماً كبيراً لذلك. لذا بدأنا في استنباط طفرات في أنظمة نموذجية كانت غير قادرة على الالتصاق بالأسطح. والآن، وبعد مرور 10 سنوات، هل يمكنني تلخيص ما حدث؟

الآن، أتخيل أولاً أن ما قمنا به قد ركز بشكل كبير على *Bacillus subtilis*، وهو كائن نموذجي رائع بشكل خاص ينتج الأبواغ، مما يسمح لنا بدراسة مسارات تمايز محددة للغاية في سياق الخلايا الموجودة على السطح كغشاء حيوي. وأعتقد أن ما لوحظ خلال السنوات العشر الماضية هو وجود هجرة كبيرة للباحثين الذين كانوا يعملون على الخلايا في المعلقات للبحث الآن فيما تفعله هذه الخلايا عندما تكون مستقرة على الأسطح. لذا، أرى أن وجهة النظر التي كانت تتمحور حول الهندسة فيما يخص الأغشية الحيوية قد أصبحت الآن تحظى باهتمام العديد من المجالات المختلفة من الباحثين في علم الوراثة، والبيولوجيا الجزيئية، وما إلى ذلك، في علم الأحياء الدقيقة.

إذًا، ماذا يعني ذلك من منظور علم الأحياء الدقيقة؟ لست متأكدًا تمامًا مما إذا كان قد أحدث فرقًا هائلاً، باستثناء وجود حماس كبير الآن في إدراك مدى اختلاف الوجود على السطح عما يكون عليه عندما تكون الخلايا في حالة تعليق. فعند تجميع مجتمع ميكروبي، يكون هناك مستوى من التنظيم يتطلب، أو نجد الآن أنه يتطلب، تواصل الخلايا مع بعضها البعض.

ففي دراسة الفسيولوجيا البكتيرية في معلق، يمكنك رؤية كيف تتغير الخلية نتيجة تغير بيئتها. ولا يحتاج ذلك إلى وجود الخلية في حالة تلامس كيميائي أو مادي مع الخلايا الأخرى الموجودة هناك بأي حال من الأحوال. بل إنك تقوم فقط بحساب المتوسط عبر مجموعة من الخلايا، وبناءً على ما تراه في المجتمع البكتيري بأكمله، يمكنك استنتاج ما يحدث في الخلية الواحدة.

عندما تقوم برج تلك المجموعة من الخلايا وهي تطفو جميعها في سائل، فإن وجود الخلايا الأخرى لا يشكل فارقاً حقيقياً. إن الأمر يهم الباحث لأنه يقوم حينها باستخراج المتوسطات، لكنه لا يهم الخلية في الواقع؛ ففسيولوجيا الخلية تحددها كيفية تفاعلها مع البيئة، وليس بالضرورة كيفية تفاعلها مع الخلايا الأخرى.

بمجرد أن تستقر الخلايا وتبدأ في تكوين مصفوفة مسرعة وتبدأ في التجمع إلى أنواع خلايا مختلفة داخل ذلك المجتمع، فإن ما يحدث هو أنها تبدأ في التواصل مع بعضها البعض. وبذلك ينفتح المجال بأكمله لدراسة التواصل الخلوي من خلال دراسة المجتمعات المرتبطة بالأسطح. أما التحديات الحالية، في اعتقادي بالنسبة لنا في مجال الغشاء الحيوي (biofilm)، كما هو الحال فيما نقوم به في مختبري، فإن فكرة القدرة على تتبع سلالة خلية فردية ومصيرها لا تزال تتطلب تقنيات بدأنا للتو في تطويرها.

أتساءل، كيف يمكنك فعلياً تقييم الحالة الفسيولوجية لخلية واحدة في سياق آلاف الخلايا الأخرى؟ من الناحية التقنية، يُعد ذلك أمراً صعباً للغاية. نحن نمتلك جينات مراسلة وطرقاً للقيام بذلك، ولكن لا يزال ذلك يمثل تحدياً كبيراً؛ فكيف يمكننا، دون إزعاج الخلية، تقييم ما يحدث لها فسيولوجياً في المجالات الأخرى التي أعمل بها والتي تتضمن التواصل بين الخلايا.

يتمثل أحد التحديات الكبيرة في كيفية، كما تعلمون، أحد الأمور التي أدركناها في علم الأحياء الدقيقة في السنوات الأخيرة هو التنوع المذهل الموجود، وإذا كنت ترغب في إلقاء شبكة تمنحك الكثير من المعلومات، شبكة واسعة جداً تكشف الكثير عن العالم الميكروبي في حالته الحقيقية، فإن التساؤل هو: مع وجود هذا الكم الهائل من الإشارات، كيف يمكنك إلقاء شبكة تكون شاملة بشكل معقول؟ لذا، فإن التحدي المفاهيمي الكبير هو ما إذا كانت هذه البنى المختبرية الاصطناعية تماماً التي نستخدمها لمراقبة البكتيريا تعكس حقاً أي شيء مما تفعله تلك البكتيريا في العالم الحقيقي؟

أعني، هل هذا مجرد نتاج اصطناعي تام، سواء كان ذلك على مستوى الجزيئات التي يتبادلونها أو حتى الهياكل التي يشكلونها؟ لذا، هل الأوصاف التشريحية التي نضعها لهذه المجتمعات صالحة لما تفعله هذه الكائنات حقاً في العالم الواقعي؟ ونحن لا نعرف ذلك لأنه نادراً ما تمكن الناس من الخروج إلى العالم الواقعي ومراقبة ما تفعله البكتيريا هناك حقاً بالمستوى الذي يمكننا ملاحظته في المختبر، وعندما نخرج إلى هناك يمكننا مراقبتها، ولكن بطريقة ملاحظة مختلفة تماماً.

أجل، أحاول ألا أكون متنبئًا للغاية، كما تعلم، بشأن ما سيكون عليه علاقة العمل الذي نقوم به بالعالم الحقيقي، لأنني لست مقتنعًا بوجود صلة مباشرة. ولكن دعني أخبرك بما يتصوره الناس عمومًا حول مجالين؛ أحدهما هو الأغشية الحيوية (biofilms)، والآخر هو التواصل بين الخلايا.

ومن هنا، فمن المعترف به جيداً أن العديد من الإصابات التي نراها اليوم والتي تتضمن بكتيريا، تشمل بكتيريا يصعب جداً علاجها باستخدام العلاجات التقليدية. ولا يعود ذلك إلى كونها مقاومة وراثياً في جميع الأحوال والظروف، بل لأن هذه البكتيريا، عندما تكون ضمن هذه الأغشية الحيوية (biofilms) — وهي المجتمعات المرتبطة بالأسطح — تصبح من الناحية الفسيولوجية مقاومة أو متسامحة تجاه العلاج بالمضادات الحيوية. فعلى سبيل المثال، قد يكون لديك جهاز مزروع في الجسم مثل القسطرة التي تتعرض للإصابة، وبمجرد حدوث ذلك، يصبح من الصعب جداً القضاء على تلك الإصابة لأن البكتيريا المستقرة على القسطرة تكون مقاومة تماماً للعلاجات المعروفة.

لذا، فإن أحد الأمور التي يأمل فيها الناس هو أنه من خلال فهم حالة الخلايا في الغشاء الحيوي بشكل أفضل، سيكون من الأسهل تطوير استراتيجيات جديدة للتعامل مع تلك البكتيريا التي لا تقضي عليها الاستراتيجيات التقليدية. لذا فهذا احتمال وارد. كما يمكن القول أيضاً إنه إذا تعلمنا كيف تتصرف البكتيريا في هذه الأغشية الحيوية، فسنتمكن من جعلها تنتج لنا أشياء أفضل في المستقبل.

إن المفهوم العام للمعالجة الحيوية يتجاوز مجرد التطبيقات الطبية. يمكنكم تصور العديد من الصناعات التي تستخدم البكتيريا، حيث لو عرفنا كيفية دفعها لإنتاج المواد بشكل أفضل في شكل أغشية حيوية، لكانت أكثر فعالية وكفاءة وما إلى ذلك. إن فكرة تغطية الأسطح بالبكتيريا هي في الواقع أمر مثير للاهتمام، فهي تغطي تقريباً أي سطح على وجه الكوكب.

وهكذا، يمكن حتى للأشخاص العاملين في ممرات الشحن أن يفكروا، على سبيل المثال، في كيفية منع تكون الغشاء الحيوي على سفنهم لضمان تشغيل تلك السفن بكفاءة أكبر. لذا، يمكنكم تخيل أن مجرد فهم الإطار الطبيعي لكيفية تفاعل البكتيريا مع الأسطح له تأثير كبير في كل مكان تقريبًا. لكنني لا أحاول التفكير في أن ما نقوم به سيؤدي في النهاية إلى تحسينات، بل أترك ذلك يحدث من تلقاء نفسه.

أما المجال الآخر الذي أردت أن أخبركم عنه فهو التواصل الخلوي. وهذا مجال مثير للاهتمام لأننا نمتلك مواد نسميها المضادات الحيوية، والخلاصة هي أن ما أخبرتكم به سابقاً هو أننا في المختبر وفي الطب نعرف ماهية هذه المركبات. إنها تسمى المضادات الحيوية، أليس كذلك؟

لذا، يرجع ذلك إلى قدرتها على قتل البكتيريا. وفي الواقع، يتم تصنيعها بواسطة البكتيريا؛ إذ إن معظم المضادات الحيوية تنتجها البكتيريا.

والأمر المثير للسخرية هو أننا، كمجتمع من العلماء، نفتقر حقاً إلى المعرفة حول الدور الذي تؤديه هذه المركبات في الطبيعة. نعم، ليس لدينا أي دليل مباشر على أن البكتيريا التي تنتجها تفعل ذلك لرغبتها في استخدامها كمضادات حيوية، أليس كذلك؟ لذا هناك الكثير من المؤشرات على أنها تعمل في الواقع كجزيئات إشارة، ليس لقتل بعضها البعض، بل للتواصل.

والأمر الرائع في ذلك هو أنه يمكنك قلب المنظور والقول بأنه إذا اكتشفنا جزيئات إشارات جديدة، فقد ينتهي بها المطاف لتكون مضادات حيوية مفيدة. لذا، فإن أحد احتمالات البحث الانتقالي سيكون اكتشاف مركبات إشارات جديدة ومعرفة ما إذا كان من الممكن، إما عن طريق تعطيل هذه الإشارات، التوصل إلى علاجات جديدة، أو ربما تصبح بعض الجزيئات التي تكتشفها كجزيء إشارات في نهاية المطاف عاملاً علاجياً مفيداً. نعم، هذا أمر صعب دائماً.

أقصد، يمكنني أن أخبرك بما قد أكون عليه بعد خمس سنوات من الآن. لا أعرف ما إذا كان هذا هو الأمر الأكثر أهمية بالضرورة. أعتقد أنه لا يمكن للمرء أبداً التنبؤ بما سيحدث بعد خمس سنوات في المستقبل.

ولكن، سأعود إلى نقطة ذكرتُها سابقاً. أعتقد أن الأمر يتعلق بعلم البيئة الميكروبية، وهذا يتطلب إنشاء مجتمعات ميكروبية معقدة، ودراسة التفاعلات بين الأنواع. أؤمن بأنه يتعين علينا استغلال هذه الفكرة حقاً، وهي أننا أصبحنا نمتلك الآن أدوات تحكم أفضل فأفضل على مستوى الخلية الواحدة.

لذا، إذا كان بإمكاننا ذلك، أعتقد أن التوجه الذي نحتاج إلى سلوكه هو استكشاف الإيكولوجيا الميكروبية، ليس عن طريق - أعني، لا يزال من المفيد الخروج إلى المحيطات والغابات، والقيام بما يشبه "جمع الطوابع" الذي دأب عليه الباحثون طوال العشرين عاماً الماضية، وهو أمر كان مفيداً للغاية. ولكننا نحتاج فعلياً إلى البدء في معرفة ماهية هذه الأنواع التي لا تعد ولا تحصى، وكيفية تفاعلها، وكيف يتم هذا التفاعل ليس وفق المقياس التقليدي الذي كنا ننظر من خلاله حتى الآن من حيث أحجام المجموعات السكانية الهائلة، بل بالأحرون في أحجام مجموعات سكانية تكون ذات صلة أو واقعية على مستوى الخلية الواحدة. لذا أعتقد أن العودة إلى التحليل المجهري لأعداد صغيرة لرؤية كيفية تفاعلها هو المسار الصحيح.

لذا أعتقد أنه كلما زاد قيامنا بذلك، زادت معرفتنا بالتفاعلات الحقيقية، ومن ثم يمكننا تعميم ذلك على المجتمعات التي تحدث في المحيط، وما إلى ذلك. ولكنني أعتقد أننا بحاجة للعودة إلى هناك والنظر في مقاييس تتناسب مع حجم البكتيريا. فمعظم ما يتم القيام به حالياً يتم عبر حساب المتوسطات من خلال مقاييس تمثل في الواقع أكواناً كاملة بالنسبة لهذا الكائن الحي، أليس كذلك؟

يعتقد الناس أن المقياس الصغير هو السنتيمتر، ولكن في السنتيمتر الواحد، وتحديداً في السنتيمتر المكعب، يمكن أن يوجد 10⁹ من الكائنات الحية، و10⁴ من الأنواع في التربة، أليس كذلك؟ لذا، فنحن بحاجة فعلاً للتعمق والنظر في مقاييس الميكرون المكعب لنرى كيف تتفاعل هذه الخلايا؟ وما هي طبيعة وظائفها الفسيولوجية هناك؟

كيف يرون عالمهم في ذلك السياق؟ لو كنت سأبدأ مرحلة ما بعد الدكتوراه اليوم، أنا الآن جاد، أعتقد فعلاً أنني في كل مرة يصل فيها باحث جديد لما بعد الدكتوراه إلى مختبري، فإنني أعيد تأسيس مختبري من جديد.

وهذا يختلف كثيراً عن معظم المختبرات، أليس كذلك؟ لذا، بمعنى ما، أكتسب هذه الخبرة في كل مرة يصل فيها باحث ما بعد الدكتوراه جديد إلى هنا؛ نعم، هناك بعض التقاليد فيما قمت به سابقاً، ولكنني أعتقد أنني أرى العالم بمنظور جديد. وأعتقد أن علم البيئة الميكروبية هو المجال الذي سأقوم فيه بذلك، ولكنني سأفعل ذلك في سياق علم البيئة التجريبي حيث يمكنني حقاً التلاعب والتحكم في المجموعات والأنواع التي أراقب تفاعلاتها، وليس علم البيئة الميكروبية بمعنى مجرد رصد ما هو موجود في الطبيعة.

أعني أن هذا ليس مجالاً أعتقد أنه من المهم أن يقوم الناس بالعمل فيه، ولكن لا أعتقد أنه، إنه، هو، هو الإجابة على جميع الأسئلة. نحن بحاجة حقاً إلى النظر في الآلية، والأساس الميكانيكي للتفاعلات بين الأنواع. ويجب عليك جعل الأمر بسيطاً بما يكفي حتى تتمكن من معالجته.

في الواقع، أعتقد أن مجال علم البيئة بأكمله، وليس علم البيئة الميكروبية فحسب، سيستفيد بشكل كبير من علم البيئة التجريبي. وسوف يتحقق ذلك من خلال دراسة الأنظمة البكتيرية التي تتوفر فيها أنواع يمكن التعامل معها، وحيث يمكنك التحكم في الأمور حقاً. وهذا هو ما سأختار القيام به الآن.

هذا ما أقوم به.