Biología de las comunidades microbianas - Entrevista

Así que soy Roberto Coulter. Soy profesor de microbiología y genética molecular en la Escuela de Medicina de Harvard, y he estado aquí desde 1983. Dirijo un laboratorio de aproximadamente 10 personas, todas ellas posdoctorales e interesadas en diversas áreas del mundo microbiano.

Y así, si me permiten comenzar diciendo muy claramente, porque quizás deseen hacerme algunas preguntas específicas, pero si me permiten comenzar, mi laboratorio es un poco ecléctico en cuanto al tipo de trabajo que se realiza. Algunos laboratorios están muy enfocados en áreas determinadas. Mientras que, si tuviera que mencionar algo que caracterice a mi laboratorio, sería que cada postdoctorando aquí presente se enfoca en un área específica, pero existe casi nula superposición entre un postdoctorando y otro.

Por lo tanto, puede ser difícil para mí explicarles exactamente cuál es mi laboratorio y cuál es mi trabajo, porque no solo es un trabajo que abarca muchas áreas, sino que además hace cinco años era muy diferente de lo que es ahora. Hace diez años, trabajábamos principalmente en lo que se conocía como fisiología de fase estacionaria, es decir, en lo que sucede en células que no están creciendo activamente.

Y que en ese momento había sido la combinación de diez años antes, cuando habíamos comenzado a plantearnos esas preguntas. Y para entonces, el campo —es decir, los fisiólogos microbianos en general— ya se había adaptado a la idea de que debían estudiar bacterias que no estaban en crecimiento, lo cual era, y por eso decidí en ese momento abandonar en cierta medida ese enfoque e investigar bacterias que no solo estuvieran creciendo o no, sino que crecieran sobre superficies o al menos obtuvieran su sustento a partir de ellas. Este era el concepto de biofilms, y a mediados de los noventa, los ingenieros mostraban interés en ello debido a problemas de flujo en tuberías, etc.

Pero los fisiólogos y genetistas microbianos no habían prestado mucha atención a eso. Así que comenzamos a generar mutantes en sistemas modelo que eran incapaces de adherirse a las superficies. Y, ¿entonces, ahora, diez años después, puedo resumir lo que sucedió?

Ahora, imagino que, en primer lugar, lo que hemos hecho es centrarnos mucho en *Bacillus subtilis*, un organismo modelo particularmente maravilloso que forma esporas y que por tanto nos permite observar las vías muy específicas de diferenciación en el contexto de células dispuestas sobre una superficie como un campo. Creo que lo que los últimos 10 años han observado es que ha habido una gran migración de personas que trabajaban con células en suspensión hacia ahora investigar qué hacen estas células cuando se encuentran sobre superficies. Por lo tanto, pienso que lo que antes era una visión centrada en la ingeniería de los biofilms ahora ha captado plenamente la atención de muchas áreas diferentes de personas que realizan estudios de genética, biología molecular, etc., en microbiología.

Entonces, ¿qué ha significado esto en términos de microbiología? No estoy tan seguro de que haya supuesto una gran diferencia, excepto por el gran entusiasmo actual en reconocer cuán distinta es la existencia sobre una superficie en comparación con cuando las células están en suspensión. Al formar una comunidad, existe un nivel de organización que requiere, o que, como estamos descubriendo, implica la comunicación entre células.

Esto consiste en estudiar la fisiología bacteriana en una suspensión, en observar cómo cambia una célula debido a los cambios en su entorno. De ninguna manera es necesario que dicha célula esté en contacto, ya sea químico o físico, con las demás células presentes. Simplemente se realiza un promedio a través de una población, a partir de lo que se observa en toda la población, para inferir lo que podría estar ocurriendo en una célula individual.

Cuando se agita esa población y todas las células flotan en un líquido, realmente no importa que las otras células estén presentes. Esto tiene importancia para el investigador, ya que luego se calculan los promedios, pero en realidad no importa para la célula. Su fisiología está definida por cómo reacciona al entorno, no necesariamente por cómo reacciona frente a otras células.

Una vez que las células se asientan y comienzan a formar una matriz aceleradora, empiezan a organizarse en diferentes tipos celulares dentro de esa comunidad; entonces, lo que ocurre es que comienzan a comunicarse entre sí. De este modo, se abre todo el campo de estudio de la comunicación celular mediante el análisis de comunidades asociadas a superficies. Los desafíos actuales, en mi opinión, en el área de biofilms, como en lo que hacemos en mi laboratorio, incluyen la posibilidad de seguir la linaje de una célula individual y conocer su destino, lo cual aún requiere técnicas que apenas estamos comenzando a desarrollar.

Digo, ¿cómo se evalúa realmente el estado fisiológico de una célula individual en el contexto de miles de otras células? Técnicamente, eso es muy difícil. Tenemos genes reporteros, tenemos métodos para hacerlo, pero aún así representa un gran desafío, sin perturbar la célula, poder evaluar lo que está ocurriendo en ella fisiológicamente en otras áreas en las que participo y que implican la comunicación entre células.

Un gran desafío es cómo hacerlo, cómo hacerlo usted, usted sabe, una de las cosas que hemos llegado a reconocer en microbiología en los últimos años es la diversidad extraordinaria que existe allí afuera y, si desea lanzar una red que le revele mucho, una red muy amplia que le indique mucho sobre el mundo microbiano, en su estado verdadero. Es decir, cuántas señales existen allí afuera, ¿cómo puede lanzar una red que sea incluso razonablemente exhaustiva? Por lo tanto, un desafío enorme desde el punto de vista conceptual es qué estamos haciendo con estas construcciones de laboratorio completamente artificiales en las que observamos la existencia de las bacterias: ¿realmente reflejan algo de lo que hacen en el mundo real?

Es decir, ¿o se trata completamente de un artefacto, un artefacto que está a nivel de las moléculas que se envían entre sí e incluso de las estructuras que forman? Entonces, ¿son válidas las descripciones anatómicas que hacemos de estas comunidades para lo que realmente hacen, para lo que estos organismos hacen en el mundo real? Y no lo sabemos, porque rara vez las personas han podido salir al mundo real y observar lo que las bacterias realmente están haciendo allí, a un nivel que podamos observar en el laboratorio; y cuando salimos allí, podemos observarlas, pero es una forma completamente diferente de observación.

Sí, trato de no ser demasiado, trato de no ser demasiado profético acerca de, ya sabe, qué relación tendrá realmente el trabajo que estamos haciendo con el mundo real, porque no estoy convencido de que exista una conexión directa. Pero déjeme decirle simplemente cuál es la percepción general que tienen las personas sobre dos áreas. Una de ellas son las biopelículas y, la otra, la comunicación entre células.

Y por tanto, está ampliamente reconocido que muchas de las infecciones actuales que implican bacterias involucran microorganismos muy difíciles de tratar con terapias convencionales. Y no se debe a que sean genéticamente resistentes en todos los casos ni a condiciones particulares, sino a que estas bacterias, cuando se encuentran en estos biofilms, comunidades asociadas a superficies fisiológicamente, se vuelven resistentes o tolerantes al tratamiento con antibióticos. Por ejemplo, podría haber un dispositivo intracorporal, como un catéter, que se infecta, y una vez que esto ocurre, la infección es muy difícil de erradicar porque las bacterias que se encuentran sobre el catéter son bastante resistentes a las terapias conocidas.

Por lo tanto, una de las cosas que las personas esperarían es que, al comprender mejor el estado de las células en el biofilm, resulte más fácil desarrollar nuevas estrategias para tratar a esas bacterias que las estrategias convencionales no logran erradicar. Esa es una posibilidad. También se puede argumentar que, si aprendemos cómo se comportan las bacterias en estos biofilms, podremos hacer que produzcan mejores sustancias para nosotros en el futuro.

Una especie de, todo el concepto de bioprocesamiento, y esto va más allá, más allá de la medicina. Se puede imaginar en muchas industrias que utilizan bacterias que, si supiéramos cómo hacer que produjeran cosas mejor como biopelículas, serían, serían, podrían ser más efectivas, más eficientes, etc. Esta idea de cubrir superficies con bacterias, en realidad es interesante porque cubre casi cualquier superficie del planeta.

Y así, incluso las personas que participan en rutas marítimas pueden pensar, ya sabe, cómo mantener el rendimiento biológico en sus barcos para que los barcos puedan funcionar de manera más eficiente. Por lo tanto, puede imaginar que simplemente comprender el entorno natural en el que las bacterias interactúan con las superficies tiene un gran impacto en prácticamente todos los aspectos. Pero no trato de pensar que lo que estamos haciendo eventualmente conducirá a mejoras, ya que, ya sabe, dejo que eso ocurra por sí solo.

La otra área sobre la que quería hablarles fue la comunicación entre células. Y esta es una cuestión interesante porque, en efecto, tenemos sustancias que llamamos antibióticos y, en resumen, lo que les decía anteriormente es que en el laboratorio y en medicina conocemos cuáles son estos compuestos. Se llaman antibióticos, ¿verdad?

Entonces es porque matan bacterias. En realidad, son producidos por bacterias. La mayoría de los antibióticos son producidos por bacterias.

Y, lo curioso es que nosotros, como comunidad de científicos, realmente no tenemos idea de lo que estos compuestos están haciendo en la naturaleza. Sí. No contamos con ninguna evidencia directa de que las bacterias que los producen lo hagan porque deseen utilizarlos como antibióticos, ¿verdad? Por tanto, existen muchas indicaciones de que, de hecho, actúan como moléculas señalizadoras, no para matarse entre sí, sino para comunicarse.

Y lo bueno de eso es que se puede ver desde otra perspectiva y decir: bueno, tal vez si descubrimos nuevas moléculas señalizadoras, podrían terminar siendo antibióticos útiles. Así que una posibilidad de la investigación traslacional sería: descubrir nuevos compuestos señalizadores y ver si, al interferir las señales, podríamos desarrollar nuevas terapias, o si algunas de las moléculas que identifiquemos como moléculas señalizadoras podrían convertirse eventualmente en agentes terapéuticos útiles. Sí, eso siempre es difícil.

Quiero decir, puedo decirle lo que yo, lo que yo podría estar haciendo dentro de cinco años. No sé si eso necesariamente sea lo más importante. Nunca se puede predecir el futuro a cinco años, creo yo.

Pero, pero volveré a algo que dije anteriormente. Yo pienso en términos de ecología microbiana, y eso implica crear comunidades complejas y analizar las interacciones entre especies. Considero que debemos aprovechar realmente esta idea de que ahora podemos tener un control cada vez mejor a nivel de célula individual.

Entonces, si podemos, creo que la dirección hacia la que debemos avanzar es explorar la ecología microbiana, no diciendo que no sea útil salir allí afuera a los océanos y a los bosques, y hacer ese tipo de recolección de especímenes que las personas han estado realizando durante los últimos 20 años, lo cual ha sido muy útil. Pero necesitamos comenzar a observar realmente qué son estas múltiples especies, cómo interactúan y cómo lo hacen no a la escala típica que hemos estado estudiando hasta ahora en términos de tamaños poblacionales enormes, sino más bien a tamaños poblacionales relevantes o reales a nivel de una sola célula. Por lo tanto, considero que debemos regresar al, al, al análisis microscópico de pequeños números para observar cómo interactúan.

Así que creo que cuanta más de esa labor realicemos, más aprenderemos sobre las interacciones reales, y entonces podremos extrapolar eso a las comunidades que, ya sabe, están ocurriendo en el océano, etc. Pero creo que necesitamos regresar allí y observar escalas que sean relevantes respecto al tamaño de las bacterias. En la actualidad, casi todo se realiza mediante promedios a través de escalas que son verdaderos universos enteros para este organismo, ¿verdad?

Entonces, la gente piensa que una escala pequeña es un centímetro, pero en un centímetro cúbico se pueden tener 10 a la novena organismos y 10 a la cuarta especies en el suelo, ¿verdad? Por lo tanto, realmente necesitamos adentrarnos allí y observar escalas de micrones cúbicos y ver cómo interactúan estas células. ¿Cuál es su fisiología en ese entorno?

¿Cómo están viendo su mundo en ese contexto? Si comenzara mi posdoctorado hoy, yo... yo lo haría, lo haría, ya soy serio. Realmente creo que cada vez que llega un nuevo posdoctorando a mi laboratorio, estoy reiniciando mi laboratorio.

Y eso es muy diferente a la mayoría de los laboratorios, ¿verdad? Entonces, en cierto sentido, sí tengo esa experiencia cada vez que llega un nuevo posdoctorado aquí; sí, existe cierta tradición sobre lo que he hecho, pero creo que estoy viendo el mundo con ojos nuevos. Creo que la ecología microbiana es el área en la que lo haría, pero lo haría en el contexto de la ecología experimental, donde puedo manipular y controlar realmente las poblaciones y las especies con las que estudio las interacciones, no la ecología microbiana en el sentido de simplemente observar lo que existe en el ambiente.

Quiero decir, esa no es un área que considere importante que las personas exploren, pero tampoco creo que sea la respuesta a todas las preguntas. Realmente necesitamos examinar el mecanismo, la base mecanicista de las interacciones entre las especies. Y debes hacerlo lo suficientemente simple como para poder abordarlo.

De hecho, mi creencia es que todo el campo de la ecología, no solo la ecología microbiana, se beneficiará enormemente de la ecología experimental. Eso surgirá de observar sistemas bacterianos en los que se tiene una especie manejable, en los que realmente se pueden controlar las variables. Por eso, eso es lo que yo elegiría hacer ahora.

Eso es lo que estoy haciendo.