Biologia delle comunità microbiche - Intervista

Quindi sono Roberto Coulter. Sono professore di microbiologia e genetica molecolare presso la Harvard Medical School, e sono qui dal 1983. Dirigo un laboratorio composto da circa 10 persone, tutte ricercatrici postdottorato interessate a diversi ambiti del mondo microbico.

E quindi, se posso permettermi di iniziare dicendo molto chiaramente, perché potreste volermi porre alcune domande specifiche, ma se posso cominciare, il mio laboratorio è piuttosto eterogeneo per quanto riguarda il tipo di attività svolta. Alcuni laboratori sono molto concentrati su determinate aree. Mentre nel mio, se dovessi indicare un tratto distintivo, sarebbe che ogni ricercatore postdottorato presente qui si concentra su un'area specifica, ma c'è quasi nessuna sovrapposizione tra un postdottorato e l'altro.

Pertanto, potrebbe essere difficile per me spiegarle esattamente cos'è il mio laboratorio e qual è il mio lavoro, perché non si tratta soltanto di un'attività che copre molti settori, ma è anche qualcosa che cinque anni fa era molto diversa rispetto a oggi. Dieci anni fa, lavoravamo principalmente sulla cosiddetta fisiologia della fase stazionaria, ovvero su ciò che accade alle cellule che non sono in crescita attiva.

E che all'epoca era la combinazione di dieci anni prima, quando avevamo iniziato a porci quelle domande. E a quel punto il settore – intendo, i fisiologi microbici in generale – si era adattato all'idea che avrebbero dovuto studiare batteri non in crescita, cosa che era, e così decisi allora di abbandonare in una certa misura quell'approccio per dedicarmi a batteri che non erano soltanto in crescita oppure no, ma che crescevano su superfici o perlomeno traevano sostentamento dalle superfici. Questo era, questo era il concetto di biofilm e, a metà degli anni novanta, gli ingegneri erano interessati a questo aspetto a causa dei problemi di flusso nei tubi, eccetera.

Tuttavia, i fisiologi e i genetisti microbici non avevano prestato molta attenzione a questo aspetto. Così abbiamo iniziato a generare mutanti in sistemi modello che erano incapaci di aderire alle superfici. E, a distanza di dieci anni, posso ora riassumere ciò che è accaduto?

Ora, immagino che, in primo luogo, ciò che abbiamo fatto sia stato concentrarci molto su *Bacillus subtilis*, un organismo modello particolarmente interessante che forma spore e ci permette quindi di osservare percorsi molto specifici di differenziazione nel contesto di cellule disposte su una superficie come un campo. Credo che negli ultimi 10 anni si sia osservato un grande spostamento di ricercatori che lavoravano su cellule in sospensione verso lo studio di ciò che queste cellule fanno quando si trovano ad aderire a superfici. Penso quindi che ciò che inizialmente era una visione incentrata sull'ingegneria dei biofilm ora attiri l'attenzione di molte, molte diverse aree di ricerca in genetica, biologia molecolare, eccetera, nel campo della microbiologia.

Allora, cosa ha significato questo in termini di microbiologia? Non sono sicuro che abbia fatto una grande differenza, se non per il fatto che ora c'è grande entusiasmo nel riconoscere quanto diversa sia l'esistenza su una superficie rispetto a quando le cellule sono in sospensione. Nell'assemblare una comunità, esiste un livello di organizzazione che richiede, o che, come stiamo scoprendo, implica la comunicazione tra le cellule.

Questo significa che, nello studio della fisiologia batterica in sospensione, si può osservare come una cellula cambi in risposta ai cambiamenti del suo ambiente. In nessun modo è necessario che tale cellula entri in contatto chimico o fisico con le altre cellule presenti. Si tratta semplicemente di effettuare una media su una popolazione, basandosi su ciò che si osserva nell'intera popolazione, per dedurre ciò che potrebbe accadere a livello di singola cellula.

Quando si agita quella popolazione e tutte le cellule sono in sospensione in un liquido, non è realmente rilevante che le altre cellule siano presenti. È rilevante per l'investigatore, poiché da ciò si ricavano le medie, ma non lo è per la cellula. La sua fisiologia è definita dal modo in cui reagisce all'ambiente, non necessariamente dal modo in cui reagisce ad altre cellule.

Una volta che le cellule si depositano e iniziano a produrre una matrice acceleratrice, cominciano ad assemblarsi in diversi tipi cellulari all'interno di quella comunità; a quel punto, ciò che accade è che iniziano a comunicare tra loro. L'intera area della comunicazione tra cellule si apre quindi attraverso lo studio delle comunità associate alla superficie. Le sfide attuali, penso per noi, nell'ambito dei biofilm, per esempio nel lavoro che svolgiamo nel mio laboratorio, riguardano l'idea di poter seguire la linea discendente di una singola cellula e il suo destino, cosa che richiede ancora tecniche che stiamo solo cominciando a sviluppare.

Dico io, come si valuta effettivamente lo stato fisiologico di una singola cellula nel contesto di migliaia di altre cellule? Tecnicamente, è molto difficile. Abbiamo geni reporter, abbiamo dei metodi per farlo, ma rappresenta comunque una sfida enorme: riuscire a valutare, senza disturbare la cellula, ciò che sta accadendo a livello fisiologico in ambiti che coinvolgono la comunicazione tra cellule, nei quali sono coinvolto.

Una grande sfida è come fare, come fare, uno dei problemi che abbiamo iniziato a riconoscere in microbiologia negli ultimi anni è la straordinaria diversità presente là fuori e, se si vuole gettare una rete in grado di fornire molte informazioni, una rete molto ampia che ci riveli molto sul mondo microbico, sul suo stato reale, quanti segnali esistono effettivamente, come si può gettare una rete anche solo ragionevolmente esaustiva? Dunque, una sfida concettuale enorme è: ciò che stiamo facendo con queste costruzioni artificiali di laboratorio, in cui osserviamo i batteri mentre vivono, riflette effettivamente qualcosa di ciò che fanno nel mondo reale?

Voglio dire, oppure si tratta di un artefatto completamente completo a livello di molecole che si scambiano tra loro e persino delle strutture che formano? Dunque, le descrizioni anatomiche che forniamo di queste comunità sono valide per ciò che questi organismi fanno realmente nel mondo reale? E non lo sappiamo, perché raramente le persone sono riuscite ad andare nel mondo reale e osservare cosa stanno realmente facendo i batteri a quel livello che possiamo osservare in laboratorio; e quando andiamo là fuori possiamo osservarli, ma in un modo completamente diverso di osservazione.

Sì, cerco di non essere troppo, cerco di non essere troppo profetico riguardo, sai, a quale lavoro stiamo effettivamente facendo e a come si collegherà al mondo reale, perché non sono convinto che esista una connessione diretta. Ma lascia che ti dica cosa le persone in generale pensano riguardo a due aree. Una di queste aree riguarda i biofilm e l'altra la comunicazione tra cellula e cellula.

Pertanto, è ormai ben noto che molte delle infezioni batteriche osservate oggi coinvolgono batteri molto difficili da trattare con terapie convenzionali. Non si tratta necessariamente di resistenza genetica né di condizioni universali, ma piuttosto del fatto che questi batteri, quando si trovano in questi biofilm, ovvero comunità associate alla superficie, diventano fisiologicamente resistenti o tolleranti ai trattamenti antibiotici. Ad esempio, si può verificare un'infezione su un dispositivo intracorporeo come un catetere; una volta che ciò accade, l'infezione risulta estremamente difficile da eradicare perché i batteri adesi al catetere sono altamente resistenti alle terapie conosciute.

Uno dei risultati auspicabili è che, comprendendo meglio lo stato delle cellule nel biofilm, sarà più facile sviluppare nuove strategie per combattere quei batteri che le strategie convenzionali non riescono ad eradicare. Questa è una possibilità. Si può inoltre sostenere che, se impareremo come i batteri si comportano in questi biofilm, potremo indurli a produrre sostanze più utili per noi in futuro.

Una sorta di, l'intero concetto di bioprocessi, e questo va oltre, oltre la medicina. Si può immaginare che in molti settori industriali che utilizzano batteri, se sapessimo come farli produrre meglio le sostanze sotto forma di biofilm, sarebbero, sarebbero, potrebbero essere più efficaci, più efficienti, eccetera. Quest'idea di ricoprire le superfici con batteri, in realtà è interessante perché riguarda quasi ogni superficie del pianeta.

Quindi anche le persone coinvolte nelle rotte di navigazione possono riflettere su come mantenere attiva la biofilm sui loro natanti, in modo che le navi possano funzionare in modo più efficiente. Si può immaginare che comprendere semplicemente l'ambiente naturale in cui i batteri interagiscono con le superfici abbia un grande impatto in ogni ambito. Tuttavia, non cerco di pensare che ciò che stiamo facendo porterà necessariamente a miglioramenti, perché lascio che questo accada spontaneamente.

L'altro argomento di cui volevo parlarvi riguarda la comunicazione tra cellula e cellula. E questo è un aspetto interessante perché, in effetti, esistono sostanze che chiamiamo antibiotici e, in definitiva, quanto vi ho detto in precedenza riguarda il fatto che in laboratorio e in medicina conosciamo bene questi composti. Sono chiamati antibiotici, giusto?

Quindi è perché uccidono i batteri. In realtà, vengono prodotti dai batteri. La maggior parte degli antibiotici è prodotta dai batteri.

E, e la cosa buffa è che noi... noi, come comunità di scienziati, siamo davvero all'oscuro riguardo a ciò che questi composti fanno in natura. Sì. Non abbiamo alcuna evidenza diretta che i batteri che li producono li sintetizzino perché vogliono utilizzarli come antibiotici, giusto? E quindi ci sono molti indizi che in realtà svolgano il ruolo di molecole di segnale, non per uccidersi a vicenda, ma per comunicare.

E così il bello di questo è che si può ribaltare il concetto e dire: beh, forse se scopriamo nuove molecole segnale, potrebbero effettivamente rivelarsi utili come antibiotici. Quindi una possibile applicazione della ricerca traslazionale sarebbe: bene, scopriamo nuovi composti segnale e vediamo se, interferendo con questi segnali, potremmo sviluppare nuove terapie, oppure se alcune delle molecole stesse che identifichiamo come molecole di segnalazione potrebbero alla fine diventare un agente terapeutico utile. Sì, questo è sempre difficile.

Voglio dire, posso dirti cosa potrei fare tra cinque anni. Non so se questo sia necessariamente il più importante. Non si può mai prevedere il futuro a cinque anni, credo.

Tuttavia, tornerò su un punto che ho menzionato in precedenza. Penso in termini di ecologia microbica, il che implica creare comunità complesse e analizzare le interazioni interspecifiche. Sono convinto che dobbiamo sfruttare appieno questa idea, ovvero che ora possiamo disporre di strumenti sempre più efficaci a livello di singola cellula.

Quindi, se possiamo, credo che la direzione verso cui dobbiamo muoverci sia esplorare l'ecologia microbica, non nel senso che sia inutile andare negli oceani o nelle foreste, e fare quel tipo di raccolta di campioni che le persone hanno portato avanti negli ultimi 20 anni, cosa che è stata molto utile. Ma dobbiamo iniziare a osservare concretamente quali sono queste miriadi di specie, come interagiscono tra loro e come interagiscono non su scala tipica, quella che abbiamo esaminato finora in termini di popolazioni di dimensioni enormi, ma piuttosto su dimensioni di popolazione pertinenti o reali a livello di singola cellula. Credo quindi che occorra tornare all'analisi microscopica di piccoli numeri per osservare come interagiscono.

Pertanto, penso che più faremo questo tipo di analisi, più impareremo sulle vere interazioni, e allora potremo estrapolare tali informazioni alle comunità che, come sappiamo, si sviluppano nell'oceano, e così via. Ma ritengo che dobbiamo tornare a esaminare le scale dimensionali pertinenti rispetto alle dimensioni dei batteri. Attualmente quasi tutto viene effettuato mediante medie su scale che per questo organismo rappresentano veri e propri universi, giusto?

Quindi la gente pensa che una piccola scala sia un centimetro, ma in un centimetro cubo si possono trovare 10 alla nona organismi e 10 alla quarta specie nel suolo, giusto? Perciò, dobbiamo davvero andare lì dentro e osservare scale di micron cubici per capire come interagiscono queste cellule. Qual è la loro fisiologia in quel contesto?

Come vedono il loro mondo in quel contesto? Se oggi iniziassi il mio dottorato di ricerca, lo prenderei seriamente. Penso davvero che ogni volta che un nuovo dottorando arriva nel mio laboratorio, io stia riavviando il mio laboratorio.

E questo è molto diverso rispetto alla maggior parte dei laboratori, giusto? Quindi, in un certo senso, ho davvero quell'esperienza ogni volta che arriva un nuovo postdoc qui: sì, esiste una certa tradizione riguardo a ciò che ho fatto, ma credo di vedere il mondo con occhi nuovi. Penso che l'ecologia microbica sia l'ambito in cui lo farei, ma lo affronterei nel contesto dell'ecologia sperimentale, dove posso effettivamente manipolare e controllare le popolazioni e le specie con cui sto studiando le interazioni, non nel senso di un'ecologia microbica volta semplicemente a rilevare ciò che esiste già in natura.

Voglio dire, non è un ambito che ritengo fondamentale perché le persone lo pratichino, ma non penso che rappresenti la risposta a tutte le domande. Dobbiamo davvero esaminare il meccanismo, la base meccanicistica delle interazioni tra le specie. E devi semplificarlo a sufficienza da poterlo affrontare.

In effetti, sono convinto che l'intero campo dell'ecologia, non solo l'ecologia microbica, trarrà grandi benefici dall'ecologia sperimentale. Ciò deriverà dall'osservazione di sistemi batterici in cui si dispone di specie gestibili, nelle quali è possibile controllare effettivamente le variabili. Quindi, questa è la strada che sceglierei di seguire ora.

È quello che sto facendo.