ביולוגיה של הקהילות מיקרוביאלית - ראיון

שלום, אני רוברטו קולטר. אני פרופסור למיקרוביולוגיה וגנטיקה מולקולרית כאן בבית הספר לרפואה של הרווארד, ואני כאן משנת 1983. אני מנהל מעבדה של כ-10 אנשים, כולם פוסט-דוקטורנטים, המגלים עניין במספר תחומים בעולם המיקרוביאלי.

ולכן, אם אפשר, אתחיל בכך – מכיוון שייתכן שתרצו לשאול אותי שאלות ספציפיות – המעבדה שלי היא מעט אקלקטית במובן של סוג העבודה שמתבצעת בה. ישנן מעבדות שמתמקדות מאוד בתחומים מסוימים, בעוד שאם הייתי צריך לאפיין את המעבדה שלי, הייתי אומר שכל פוסט-דוקטורנט כאן מתמקד בתחום מסוים, אך כמעט ואין חפיפה בין פוסט-דוקטורנט לאחרון.

לכן, עשוי להיות לי קושי להסביר לכם מהי המעבדה שלי ומהי עבודתי, כיוון שלא מדובר רק בעבודה המכסה תחומים רבים, אלא גם במשהו שהיה שונה מאוד לפני חמש שנים מכפי שהוא כיום. לפני 10 שנים, עסקנו בעיקר במה שהיה ידוע כפיזיולוגיה של פאזה סטציונרית. כלומר, מה שקורה לתאים שאינם גדלים באופן פעיל.

וזה קרה בנקודה שבה חלפו כ-10 שנים מאז שהתחלנו לשאול את השאלות הללו. עד אז, התחום – אני מתכוון לפיזיולוגים של מיקרואורגניזמים באופן כללי – כבר הסתגל לרעיון שעליהם לבחון חיידקים שאינם גדלים, ולכן החלטתי באותו זמן לזנוח זאת במידה מסוימת ולעבור לחקר חיידקים שלא רק גדלים או לא גדלים, אלא כאלו שגדלים על משטחים או לפחות מתפרנסים ממשטחים. זה היה הקונספט של ביופילמים (biofilms), ובאמצע שנות התשעים, מהנדסים התעניינו בכך בשל בעיות של זרימה בצינורות וכדומה.

אך פיזיולוגים וגנטיקאים של מיקרואורגניזמים לא הקדישו לכך תשומת לב רבה. לכן, התחלנו ליצור מוטנטים במערכות מודל שלא היו מסוגלים להיצמד למשטחים. וכעת, 10 שנים מאוחר יותר, האם אוכל לסכם את מה שקרה?

כעת, אני מדמיין שראשית, מה שעשינו הוא להתמקד רבות ב-basc settles, אורגניזם מודל נפלא במיוחד המייצר נבגים ובכך מאפשר לנו לבחון את מסלולי ההבחנה הספציפיים מאוד בהקשר של תאים השוכנים על פני השטח כשדה. אני חושב שבעשר השנים האחרונות ניתן להבחין בכך שהייתה נדידה עצומה של אנשים שעבדו על תאים בתרחיף ואשר כעת בוחנים מה הם עושים כאשר הם שוכנים על פני שטח. לכן אני סבור שמה שהייתה תפיסה ממוקדת-הנדסה של ביופילמים, זוכה כעת לתשומת לב רבה מצד תחומים שונים ומגוונים של אנשי גנטיקה, ביולוגיה מולקולרית וכן הלאה, במיקרוביולוגיה.

אם כך, מה המשמעות של הדבר במונחים של מיקרוביולוגיה? אני לא בטוח שזה יצר הבדל עצום, למעט העובדה שכעת קיימת התלהבות רבה מההכרה בכך שהקיום על פני שטח שונה מהמצב שבו תאים נמצאים בתמיסה. בהרכבת קהילה, קיימת רמה של ארגון שדורשת, או שגילינו שהיא כרוכה ב-, בתקשורת של תאים זה עם זה.

במחקר של פיזיולוגיה בקטריאלית בתרחיף, ניתן לראות כיצד תא משתנה בעקבות שינויים בסביבתו. התא אינו נדרש להיות במגע כימי או פיזי עם שאר התאים שנמצאים שם. אתם פשוט מבצעים ממוצע על פני אוכלוסייה, ומתוך מה שאתם רואים באוכלוסייה כולה, תוכלו להסיק מה קורה בתא הבודד.

כאשר מערערים את האוכלוסייה הזו וכל התאים צפים בתוך נוזל, נוכחותם של התאים האחרים אינה משמעותית באמת. הדבר משמעותי עבור החוקר, שכן הוא גוזר מכך את הממוצעים, אך עבור התא עצמו אין לכך חשיבות. הפיזיולוגיה שלו מוגדרת על ידי האופן שבו הוא מגיב לסביבה, ולאו דווקא על ידי האופן שבו הוא מגיב לתאים אחרים.

ברגע שהתאים שוקעים ומתחילים ליצור מטריצה מאיצה ולהתרכב לסוגי תאים שונים בתוך אותה קהילה, מה שקורה הוא שהם מתחילים לתקשר זה עם זה. כך, כל תחום התקשורת הבין-תאית נפתח באמצעות מחקרים של קהילות הקשורות למשטחים. האתגרים העכשוויים, לדעתי, עבורנו בתחום הביופילם, למשל במה שאנו עושים במעבדה שלי, הם הרעיון של יכולת מעקב אחר השושלת של תא בודד ומה יהיה גורלו, דבר שעדיין דורש טכניקות שאנו רק מתחילים לפתח.

אני שואל, כיצד ניתן להעריך בפועל את המצב הפיזיולוגי של תא בודד בהקשר של אלפי תאים אחרים? מבחינה טכנית, זה קשה מאוד. יש לנו גנים דגלים (reporter genes), יש לנו דרכים לבצע זאת, אך זה עדיין מהווה אתגר עצום – להיות מסוגלים להעריך מה קורה לתא מבחינה פיזיולוגית, ללא הפרעה לתא, בתחומים אחרים שבהם אני עוסק ואשר כוללים תקשורת בין תאים.

אתגר גדול הוא כיצד, אתם יודעים, אחד הדברים שהבנו במיקרוביולוגיה בשנים האחרונות הוא המגוון המדהים שקיים שם בחוץ, ואם ברצונכם לפרוס רשת שתספק מידע רב, רשת רחבה מאוד שתלמד אותנו רבות על העולם המיקרוביאלי במצבו האמיתי – בהינתן כמות האותות הקיימת – כיצד ניתן לפרוס רשת שתהיה אפילו סבירה מבחינת מקיפותה? לכן, אתגר מושגי עצום הוא האם מה שאנו עושים באמצעות מבנים מעבדתיים מלאכותיים לחלוטין, שבהם אנו צופים בבקטריות, באמת משקף דבר מה מפעילותיהן בעולם האמיתי?

כלומר, או שמא מדובר בארטפקט מוחלט, בין אם ברמה של המולקולות שהם שולחים זה לזה ובין אם במבנים שהם יוצרים. אם כן, האם התיאורים האנטומיים שאנו עורכים לקהילות הללו תקפים עבור מה שהם באמת עושים, עבור מה שהאורגניזמים הללו עושים בעולם האמיתי? ואנחנו לא יודעים זאת, מכיוון שרק לעיתים רחוקות אנשים הצליחו לצאת לעולם האמיתי ולצפות במה שחיידקים באמת עושים שם, ברמה שבה אנו יכולים לצפות בכך במעבדה; וכאשר אנו יוצאים לשם, אנו יכולים לצפות בהם, אך זוהי דרך תצפית שונה לחלוטין.

כן, אני מנסה לא להיות יותר מדי, אני מנסה לא להיות נבואי מדי לגבי, אתם יודעים, מה הקשר של העבודה שאנחנו עושים לעולם האמיתי, כי אני לא משוכנע שיש קשר ישיר. אבל תנו לי רק לספר לכם מה אנשים תופסים באופן כללי לגבי שני, לגבי שני תחומים. אחד התחומים הוא ביופילמים, והשני הוא תקשורת בין-תאית.

לכן, מקובל להכיר בכך שרבים מהזיהומים הנפוצים כיום המערבים חיידקים, כוללים חיידקים שקשה מאוד לטפל בהם באמצעות טיפולים קונבנציונליים. אין זה בהכרח כך שהם עמידים גנטית בכל מצב, אלא למעשה שחיידקים אלו, כאשר הם נמצאים בתוך ביופילמים אלו – קהילות המקושרות למשטח – הופכים מבחינה פיזיולוגית לעמידים או סובלניים לטיפול באנטיביוטיקה. כך למשל, ייתכן שיהיה התקן מושתל, כגון קטטר, שנדבק בזיהום, וברגע שזה קורה, קשה מאוד למגר את הזיהום מכיוון שהחיידקים השוכנים על הקטטר עמידים למדי לטיפולים הידועים.

אחד הדברים שאנשים מקווים לו הוא שעל ידי הבנה טובה יותר של מצב התאים בביופילם, יהיה קל יותר לפתח אסטרטגיות חדשות להתמודדות עם אותן חיידקים שאסטרטגיות קונבנציונליות אינן מצליחות להכריות. זוהי אפשרות אחת. ניתן גם לטעון שאם נלמד כיצד חיידקים מתנהגים בביופילמים אלו, נוכל לגרום להם לייצר עבורנו דברים טובים יותר בעתיד.

מעין התפיסה השלמה של עיבוד ביולוגי (bioprocessing), וזה חורג, חורג מעבר לרפואה בלבד. ניתן לדמיין שבמגזרים תעשייתיים רבים המשתמשים בחיידקים, אם נדע כיצד להביא אותם לייצר דברים טובים יותר כביופילמים (biofilms), הם יוכלו להיות יעילים יותר, אפקטיביים יותר וכן הלאה. הרעיון הזה של כיסוי משטחים בחיידקים הוא למעשה מעניין, שכן הוא מכסה כמעט כל משטח על פני כדור הארץ.

לכן, אפילו אנשים העוסקים בנתיבי שיט יכולים לחשוב, למשל, כיצד ניתן למנוע את היווצרות הביופילם על ספינותיהם כדי שהן יוכלו לפעול ביעילות רבה יותר. לפיכך, ניתן לדמיין כי להבנה של הסביבה הטבעית שבה חיידקים מקיימים אינטראקציה עם משטחים יש השפעה רבה כמעט בכל תחום. עם זאת, אינני מנסה לחשוב שמה שאנו עושים יוביל בסופו של דבר לשיפורים, שכן אני משאיר זאת לקרות מעצמו.

התחום השני שרציתי לספר לכם עליו הוא התקשורת הבין-תאית. וזהו נושא מעניין, מכיוון שיש לנו דברים שאנו מכנים אנטיביוטיקה, והשורה התחתונה היא שמה שאמרתי לכם קודם לכן הוא שבמעבדה וברפואה אנו יודעים מהם התרכובים הללו. הם נקראים אנטיביוטיקה, נכון?

אם כן, זה מכיוון שהם הורגים חיידקים. כעת, הם למעשה מיוצרים על ידי חיידקים. רוב האנטיביוטיקה מיוצרת על ידי חיידקים.

והדבר המצחיק הוא שאנחנו, כקהילה של מדענים, באמת חסרי מושג לגבי התפקיד של התרכובים הללו בטבע. כן. אין לנו שום ראיה ישירה לכך שהבקטריות המייצרות אותם עושות זאת מכיוון שהן רוצות להשתמש בהם כאנטיביוטיקה, נכון? וישנם סימנים רבים לכך שלמעשה הם משמשים כמולקולות איתות, לא כדי להרוג אחת את השנייה, אלא כדי להעביר אותות.

והדבר הנחמד בכך הוא שניתן להפוך את התפיסה ולומר, ובכן, אולי אם נגלה מולקולות איתות חדשות, הן עשויות בסופו של דבר להתגלות כאנטיביוטיקה יעילה. לכן, אפשרות אחת למחקר תרגומי תהיה, אוקיי, לגלות תרכובות איתות חדשות ולבדוק אם על ידי חסימת האיתותים, תוכלו למעשה להגיע לטיפולים חדשים, או שאולי חלק מהמולקולות עצמן שתגלו כמולקולות איתות יוכלו להפוך בסופו של דבר לסוכן טיפולי יעיל. כן, זה תמיד מאתגר.

כלומר, אני יכול לומר לך מה אני, מה אולי אעשה בעוד חמש שנים מהיום. אני לא יודע אם זה בהכרח הדבר החשוב ביותר. אני חושב שאי אפשר לחזות מה יקרה בעוד חמש שנים בעתיד.

אבל, אני אחזור לדבר שאמרתי קודם. אני חושב במונחים של אקולוגיה מיקרוביאלית, וזה כולל יצירת קהילות מורכבות ובחינת אינטראקציות בין-מיניות. אני מאמין שעלינו לנצל באמת את הרעיון שביכולתנו כעת להשיג כלים טובים יותר ויותר ברמה של התא הבודד.

אם כן, אני חושב שהכיוון שבו עלינו להתקדם הוא לחקור את האקולוגיה המיקרוביאלית, ולא על ידי – כלומר, זה עדיין מועיל לצאת אל האוקיינוסים ואל היערות ולעסוק במידה מה ב"איסוף בולים", כפי שאנשים עשו ב-20 השנים האחרונות, ודבר זה היה מועיל מאוד. אך עלינו להתחיל לראות בפועל מהם המינים הרבים הללו, כיצד הם מקיימים אינטראקציות ובאילו דרכים הם פועלים, לא בקנה המידה הטיפוסי שבו התבוננו עד כה במונחים של גודלי אוכלוסיות עצומים, אלא דווקא בגודלי אוכלוסיות רלוונטיים או ממשיים ברמה של תא בודד. לכן, אני חושב שעלינו לחזור לניתוח מיקרוסקופי של מספרים קטנים כדי לבחון כיצד הם מקיימים אינטראקציות.

לכן אני חושב שככל שנעשה זאת יותר, כך נלמד יותר על האינטראקציות האמיתיות, ואז נוכל להשליך זאת על הקהילות שמתרחשות באוקיינוס וכן הלאה. אך אני סבור שעלינו לחזור לשם ולהביט בקני מידה הרלוונטיים לגודלן של החיידקים. כיום, כמעט הכל נעשה באמצעות מיצוע של קני מידה שמהווים למעשה Universes שלמים עבור אורגניזם זה, נכון?

אנשים חושבים שקנה מידה קטן הוא סנטימטר, אך בסנטימטר, בסנטימטר מעוקב, יכולים להיות 10 בחזקת 9 אורגניזמים, ו-10 בחזקת 4 מינים בקרקע, נכון? לכן, אנחנו באמת צריכים להיכנס לשם ולהסתכל, אתם יודעים, על קנה מידה של מיקרון מעוקב ולראות כיצד התאים הללו מקיימים אינטראקציה? מהי הפיזיולוגיה שלהם שם?

כיצד הם רואים את עולמם בהקשר זה? אם הייתי מתחיל את הפוסט-דוקטורט שלי היום, אני... אני רציני כעת. אני באמת חושב שבכל פעם שפוסט-דוקטורנט חדש מגיע למעבדה שלי, אני למעשה מקים את המעבדה שלי מחדש.

וזה שונה מאוד מרוב המעבדות, נכון? כך שבמובן מסוים, יש לי את החוויה הזו בכל פעם שפוסט-דוקטורנט חדש מגיע לכאן; כן, יש מסורת מסוימת של מה שעשיתי, אבל אני חושב שאני רואה את העולם במבט רענן. אני חושב שאקולוגיה מיקרובית היא התחום שבו הייתי עושה זאת, אבל הייתי עושה זאת בהקשר של אקולוגיה ניסויית, שבה אני באמת יכול להפעיל מניפולציות ולבקר את האוכלוסיות ואת המינים שאני בוחן את האינטראקציות ביניהם, ולא אקולוגיה מיקרובית במובן של סקר של מה שנמצא שם בחוץ.

כלומר, זה לא תחום שאני חושב שחשוב שאנשים יעסקו בו, אבל אני לא חושב שזו התשובה לכל השאלות. אנחנו באמת צריכים לבחון את המנגנון, את הבסיס המכניסטי לאינטראקציות בין המינים. וצריך להפוך את זה לפשוט מספיק כדי שניתן יהיה להתמודד עם זה.

למעשה, אני מאמין שכל תחום האקולוגיה, ולא רק אקולוגיה של מיקרואורגניזמים, יפיק תועלת רבה מאקולוגיה ניסויית. הדבר יבוא מבחינה של בחינת מערכות חיידקים שבהן ישנם מינים הניתנים לניהול, ושבהן ניתן באמת לשלוט בדברים. לכן, זה מה שהייתי בוחר לעשות כעת.

זה מה שאני עושה.