Biologie mikrobieller Gemeinschaften - Interview

Ich bin Roberto Coulter. Ich bin Professor für Mikrobiologie und molekulare Genetik an der Harvard Medical School und hier seit 1983 tätig. Ich leite ein Labor mit etwa 10 Personen, allesamt Postdoktoranden, die an verschiedenen Bereichen der mikrobiellen Welt interessiert sind.

Und wenn ich, wenn ich damit beginnen darf, ganz klar zu sagen, denn Sie möchten mir möglicherweise gezielt einige Fragen stellen, aber wenn ich damit beginnen darf, ist mein Labor in Bezug auf die Art der durchgeführten Arbeit etwas vielseitig. Einige Labore konzentrieren sich sehr stark auf bestimmte Bereiche. Mein Labor hingegen, wenn man überhaupt etwas dazu sagen möchte, zeichnet sich dadurch aus, dass sich jeder Postdoktorand auf einen bestimmten Bereich konzentriert, wobei es jedoch praktisch keine Überschneidungen zwischen den einzelnen Postdoktoranden gibt.

Es ist also möglicherweise schwierig für mich, Ihnen genau zu beschreiben, was mein Labor und meine Arbeit ausmacht, da es sich nicht nur um eine Tätigkeit handelt, die viele Bereiche umfasst, sondern auch um etwas, das vor fünf Jahren ganz anders war als heute. Vor 10 Jahren arbeiteten wir hauptsächlich an der sogenannten Stationärphasen-Physiologie, also dem, was mit Zellen geschieht, die nicht aktiv wachsen.

Und das war zu diesem Zeitpunkt die Weiterentwicklung einer Kombination von Ideen, die etwa zehn Jahre zuvor entstanden war, als wir begonnen hatten, solche Fragen zu stellen. Inzwischen hatte sich das Fachgebiet – gemeint sind mikrobielle Physiologen im Allgemeinen – bereits damit abgefunden, dass man Bakterien untersuchen sollte, die nicht wuchsen. Ich beschloss damals, diesen Ansatz teilweise aufzugeben und stattdessen Bakterien zu untersuchen, die nicht nur entweder wuchsen oder nicht, sondern die auf Oberflächen wuchsen oder zumindest von Oberflächen lebten. Dies war das Konzept der Biofilme, und Mitte der neunziger Jahre interessierten sich Ingenieure aus Gründen wie Strömungsproblemen in Rohren usw. dafür.

Doch mikrobielle Physiologen und Genetiker hatten dem bisher kaum Beachtung geschenkt. Daher begannen wir, Mutanten in Modellsystemen zu erzeugen, die nicht mehr an Oberflächen haften konnten. Und zehn Jahre später – kann ich nun zusammenfassen, was geschehen ist?

Stellen Sie sich vor, wir haben uns vor allem auf einen besonders hervorragenden Modellorganismus konzentriert, der Sporen bildet und es uns so ermöglicht, die sehr spezifischen Differenzierungswegbahnen im Kontext von Zellen zu untersuchen, die als Zellrasen auf einer Oberfläche sitzen. Ich denke, dass in den letzten 10 Jahren beobachtet wurde, dass eine große Zahl von Forschern, die zuvor an in Suspension wachsenden Zellen arbeiteten, nun untersucht, was diese Zellen tun, wenn sie auf Oberflächen sitzen. Ich denke daher, dass die ursprünglich ingenieurwissenschaftlich geprägte Sichtweise auf Biofilme inzwischen die Aufmerksamkeit vieler verschiedener Bereiche geweckt hat, insbesondere von Forschern, die in der Genetik, Molekularbiologie und anderen mikrobiologischen Disziplinen tätig sind.

Was bedeutet das nun für die Mikrobiologie? Ich bin mir nicht sicher, ob sich dadurch bisher viel verändert hat, abgesehen davon, dass mittlerweile großes Interesse daran besteht, wie unterschiedlich die Lebensweise auf einer Oberfläche im Vergleich zum Zustand in Suspension ist. Bei der Bildung einer Gemeinschaft zeigt sich eine Organisationsstufe, die – wie wir feststellen – die Kommunikation der Zellen untereinander erfordert bzw. beinhaltet.

Das bedeutet, bei der Untersuchung der bakteriellen Physiologie in einer Suspension können Sie beobachten, wie sich eine Zelle verändert, weil sich ihre Umgebung verändert. Auf keine Weise muss diese Zelle in chemischem oder physischem Kontakt mit den anderen darin befindlichen Zellen stehen. Sie bilden lediglich einen Durchschnitt über eine Population, basierend auf dem, was Sie in der gesamten Population sehen, und schließen daraus auf das, was in der einzelnen Zelle geschehen könnte.

Wenn Sie diese Population schütteln und alle Zellen in einer Flüssigkeit schweben, spielt es tatsächlich keine Rolle, dass die anderen Zellen vorhanden sind. Für den Untersucher ist dies von Bedeutung, da er dann die Mittelwerte ermittelt, aber für die Zelle selbst ist dies eigentlich irrelevant. Ihre Physiologie wird dadurch bestimmt, wie sie auf die Umwelt reagiert, nicht unbedingt durch ihre Reaktion auf andere Zellen.

Sobald sich die Zellen abgesetzt haben und mit der Bildung einer Beschleuniger-Matrix beginnen, fangen sie an, sich innerhalb dieser Gemeinschaft in verschiedene Zelltypen zu differenzieren. In diesem Moment beginnen sie, miteinander zu kommunizieren. So erschließt sich der gesamte Bereich der Zellkommunikation über die Untersuchung oberflächenassoziierter Gemeinschaften. Zu den heutigen Herausforderungen, glaube ich, für uns im Bereich Biofilm, beispielsweise im Hinblick auf das, was wir in meinem Labor tun, gehört die Fähigkeit, die Abstammung einer einzelnen Zelle und ihr Schicksal zu verfolgen – dafür bedarf es noch Techniken, die wir erst am Entwickeln sind.

Ich frage mich, wie man eigentlich den physiologischen Zustand einer einzelnen Zelle im Kontext von Tausenden anderer Zellen beurteilt? Technisch gesehen ist das äußerst schwierig. Wir verfügen über Reportergene und haben Methoden dafür, aber es bleibt eine große Herausforderung, den physiologischen Zustand einer Zelle in anderen Bereichen, mit denen ich befasst bin und die die Kommunikation zwischen Zellen betreffen, beurteilen zu können, ohne die Zelle zu stören.

Eine große Herausforderung besteht darin, wie man vorgeht, Sie wissen schon, eines der Dinge, die wir in der Mikrobiologie in den letzten Jahren erkannt haben, ist die bemerkenswerte Vielfalt, die dort draußen existiert, und wenn man ein Netz auswerfen möchte, das einem viel über die mikrobielle Welt in ihrem tatsächlichen Zustand verrät, ein sehr weites Netz, das einem viel über die mikrobielle Welt im wahrsten Sinne des Wortes verrät. Wie viele Signale gibt es dort draußen, wie kann man ein Netz auswerfen, das sogar annähernd umfassend ist? Eine enorme konzeptionelle Herausforderung ist daher, ob das, was wir mit diesen völlig künstlichen Labor-Konstrukten tun, in denen wir das Verhalten von Bakterien beobachten, überhaupt etwas mit dem widerspiegelt, was sie in der realen Welt tun?

Ich meine, handelt es sich um ein vollständiges Artefakt, das entweder auf der Ebene der Moleküle liegt, die sie untereinander versenden, oder sogar auf der Ebene der Strukturen, die sie bilden? Sind also die anatomischen Beschreibungen, die wir von diesen Gemeinschaften erstellen, tatsächlich gültig für das, was diese Organismen in der realen Welt wirklich tun? Und wir wissen es nicht, weil selten jemand in die reale Welt hinausgegangen ist, um zu beobachten, was Bakterien dort wirklich tun – und zwar auf der Ebene, auf der wir sie im Labor beobachten können. Und wenn wir hinausgehen, können wir sie zwar beobachten, aber auf eine völlig andere Art und Weise der Beobachtung.

Ja, ich versuche, nicht allzu prophetisch zu sein, was die Arbeit betrifft, die wir gerade durchführen, und wie sie letztendlich mit der realen Welt zusammenhängen wird, weil ich nicht überzeugt bin, dass es eine direkte Verbindung gibt. Aber lassen Sie mich Ihnen kurz erläutern, wie Menschen im Allgemeinen zwei Bereiche wahrnehmen: einen Bereich betreffend Biofilme und einen weiteren betreffend die Zell-Zell-Kommunikation.

Daher ist allgemein anerkannt, dass viele der heutzutage auftretenden Infektionen, die Bakterien betreffen, auf Bakterien zurückgehen, die mit herkömmlichen Therapien nur schwer zu behandeln sind. Nicht, weil sie genetisch resistent wären oder alle Bedingungen erfüllen, sondern tatsächlich, weil diese Bakterien, wenn sie sich in solchen Biofilmen – also oberflächenassoziierten Gemeinschaften – befinden, physiologisch resistent oder tolerant gegenüber Antibiotikabehandlungen werden. So kann zum Beispiel ein implantiertes Gerät wie ein Katheter infiziert werden, und sobald dies geschieht, ist die Infektion äußerst schwer zu beseitigen, da die auf dem Katheter angesiedelten Bakterien gegenüber bekannten Therapien sehr resistent sind.

Eines der Ziele, die sich Forscher erhoffen, ist, dass durch ein besseres Verständnis des Zellzustands im Biofilm neue Strategien entwickelt werden können, um jene Bakterien zu bekämpfen, die durch herkömmliche Methoden nicht eliminiert werden. Das ist eine Möglichkeit. Man könnte außerdem argumentieren, dass wir, wenn wir verstehen, wie sich Bakterien in diesen Biofilmen verhalten, in der Lage sein werden, sie zukünftig effizienter für unsere Zwecke nutzen zu können.

Eine Art das gesamte Konzept der Bioprozessierung, und dies geht über die reine Medizin hinaus. Man kann sich in vielen Industrien, die Bakterien nutzen, vorstellen, dass, wenn wir wüssten, wie man sie effektiver als Biofilme produzieren lässt, sie wirkungsvoller, effizienter usw. wären. Die Vorstellung, Oberflächen mit Bakterien zu bedecken, ist tatsächlich faszinierend, da sie nahezu jede Oberfläche auf dem Planeten umfasst.

Und so können sogar Menschen, die in Schifffahrtsrouten tätig sind, darüber nachdenken, wie man die Biofouling-Entwicklung auf ihren Schiffen kontrolliert, damit die Schiffe effizienter laufen können. Man kann sich also vorstellen, dass das bloße Verständnis der natürlichen Bedingungen, unter denen Bakterien mit Oberflächen interagieren, weitreichende Auswirkungen hat, sozusagen überall. Aber ich versuche nicht, mir vorzustellen, dass unsere Arbeit letztendlich zu Verbesserungen führen wird, denn ich lasse das einfach von alleine geschehen.

Der andere Bereich, über den ich Ihnen berichten wollte, war die Zell-Zell-Kommunikation. Und das ist ein interessanter Bereich, weil wir tatsächlich Dinge haben, die wir Antibiotika nennen, und letztendlich ist die Kernaussage die, dass das, was ich Ihnen zuvor gesagt habe, im Labor und in der Medizin bekannt ist: Wir wissen, was diese Verbindungen sind. Sie werden Antibiotika genannt, richtig?

Also töten sie Bakterien. Tatsächlich werden sie jedoch von Bakterien hergestellt. Die meisten Antibiotika werden von Bakterien produziert.

Und das Komische ist, dass wir als wissenschaftliche Gemeinschaft tatsächlich völlig ahnungslos sind, was diese Verbindungen in der Natur bewirken. Wir haben keinerlei direkten Nachweis dafür, dass die Bakterien, die sie produzieren, dies tun, weil sie sie als Antibiotika verwenden möchten, richtig? Es gibt daher zahlreiche Hinweise darauf, dass sie tatsächlich als Signalmoleküle dienen – nicht, um sich gegenseitig abzutöten, sondern um zu signalisieren.

Das Schöne daran ist, dass man dies gewissermaßen umkehren kann und sagen kann: Vielleicht erweisen sich neu entdeckte Signalmoleküle letztendlich als nützliche Antibiotika. Eine Möglichkeit der translationsorientierten Forschung wäre also, neue Signalmoleküle zu entdecken und zu untersuchen, ob durch das Blockieren der Signale neue Therapien entwickelt werden könnten oder ob einige der entdeckten Signalmoleküle selbst letztendlich zu nützlichen therapeutischen Wirkstoffen werden könnten. Ja, das ist immer schwierig.

Ich meine, ich kann Ihnen erzählen, was ich in fünf Jahren tun könnte. Ich weiß nicht, ob das unbedingt das Wichtigste ist. Man kann meiner Meinung nach niemals fünf Jahre in die Zukunft voraussagen.

Aber, aber ich komme noch einmal auf etwas zurück, das ich bereits erwähnt habe. Ich denke in Bezug auf die mikrobielle Ökologie, und das beinhaltet das Erstellen komplexer Gemeinschaften sowie die Untersuchung von Interaktionen zwischen Arten. Ich bin der Überzeugung, dass wir die Idee wirklich nutzen müssen, dass wir heutzutage immer bessere Ansatzpunkte auf der Ebene einzelner Zellen haben.

Ich denke also, dass wir in die Richtung gehen müssen, die mikrobielle Ökologie zu erforschen – nicht, indem wir ausschließlich hinausgehen in die Ozeane und in den Wald, was zwar weiterhin nützlich ist, und auch wenn ich gewissermaßen die Art Sammelarbeit betreibe, die die Menschen in den letzten 20 Jahren durchgeführt haben und die sehr nützlich war. Aber wir müssen tatsächlich damit beginnen, zu untersuchen, was diese unzähligen Arten sind, wie sie miteinander interagieren, und zwar nicht in dem üblichen Maßstab, den wir bisher betrachtet haben, mit enormen Populationsgrößen, sondern vielmehr in Populationsgrößen, die auf Ebene einer einzelnen Zelle relevant oder real sind. Daher denke ich, dass wir zur mikroskopischen Analyse kleiner Zahlen zurückkehren müssen, um zu sehen, wie sie interagieren.

Ich denke also, je mehr wir davon tun, desto mehr werden wir über die tatsächlichen Wechselwirkungen erfahren, und dann können wir das auf die Gemeinschaften übertragen, die im Ozean stattfinden, usw. Aber meiner Meinung nach müssen wir dorthin zurückkehren und uns Skalen ansehen, die in Bezug auf die Größe der Bakterien relevant sind. Derzeit wird fast alles durch Mittelwerte über Skalen hinweg gemacht, die für diesen Organismus buchstäblich ganze Universen darstellen, nicht wahr?

Die Menschen denken, eine kleine Skala sei ein Zentimeter, aber in einem Kubikzentimeter können 10 hoch 9 Organismen und 10 hoch 4 Arten im Boden vorhanden sein, richtig? Wir müssen also wirklich dort hineingehen und auf der Skala von Kubikmikrometern untersuchen, wie diese Zellen interagieren und wie ihre Physiologie dort aussieht.

Wie sehen sie ihre Welt in diesem Kontext? Wenn ich heute meine Postdoc-Zeit beginnen würde, würde ich, ich bin jetzt ernst. Ich denke wirklich, dass jedes Mal, wenn ein neuer Postdoc in mein Labor kommt, ich mein Labor neu starte.

Und das unterscheidet sich sehr von den meisten Laboren, nicht wahr? In gewisser Weise habe ich also diese Erfahrung jedes Mal aufs Neue, wenn hier ein neuer Postdoktorand ankommt: Zwar gibt es eine gewisse Tradition dessen, was ich bisher getan habe, aber ich glaube, ich betrachte die Welt jedes Mal wieder mit frischen Augen. Ich denke, mikrobielle Ökologie wäre der Bereich, in dem ich tätig wäre, aber ich würde dies im Kontext der experimentellen Ökologie tun, in der ich Populationen und Arten, die miteinander interagieren, tatsächlich manipulieren und kontrollieren kann – nicht im Sinne einer mikrobiellen Ökologie, die lediglich beschreibt, was dort „draußen“ existiert.

Ich meine, das ist kein Bereich, den ich für wichtig halte, dass Menschen ihn verfolgen, aber ich glaube nicht, dass er die Antwort auf alle Fragen ist. Wir müssen uns wirklich mit dem Mechanismus, der mechanistischen Grundlage der Wechselwirkungen zwischen den Arten beschäftigen. Und man muss es einfach genug gestalten, um es bewältigen zu können.

Tatsächlich bin ich der Überzeugung, dass der gesamte Bereich der Ökologie, nicht nur die mikrobielle Ökologie, stark von der experimentellen Ökologie profitieren wird. Dies wird daraus resultieren, dass man bakterielle Systeme untersucht, bei denen man mit handhabbaren Arten arbeitet und die Dinge wirklich kontrollieren kann. Das wäre es also, was ich jetzt tun würde.

Das ist es, was ich tue.