Biologie van microbiële gemeenschappen - Interview

Ik ben Roberto Coulter. Ik ben professor in de microbiologie en moleculaire genetica hier aan de Harvard Medical School, en ik ben hier sinds 1983. Ik leid een laboratorium van ongeveer 10 personen, allen postdocs, die geïnteresseerd zijn in verschillende gebieden van de microbiële wereld.

En dus, als ik mag beginnen met te zeggen, omdat u mij wellicht specifieke vragen wilt stellen, maar als ik mag beginnen: mijn laboratorium is een beetje eclectisch in termen van het type werk dat er wordt gedaan. Sommige laboratoria zijn zeer gefocust op bepaalde gebieden. Terwijl ik, als ik iets zou zeggen dat mijn laboratorium kenmerkt, is dat elke postdoc hier zich op een specifiek gebied richt, maar er is bijna geen overlap tussen de verschillende postdocs.

Het is daarom wellicht lastig om precies uit te leggen wat mijn laboratorium en mijn werk precies inhouden, omdat het werk niet alleen vele gebieden beslaat, maar omdat het vijf jaar geleden ook heel anders was dan nu. Tien jaar geleden werkten we hoofdzakelijk aan wat bekend stond als stationaire-fasefysiologie. Dat betreft de processen die plaatsvinden in cellen die niet actief groeien.

En dat was op dat moment de combinatie met tien jaar daarvoor, toen we soortgelijk die vragen waren begonnen te stellen. Tegen die tijd was het vakgebied, ik bedoel, microbiële fysiologen in het algemeen, gewend geraakt aan het idee dat ze naar bacteriën moesten kijken die niet groeiden, en dus besloot ik op dat moment dat in zekere mate te verlaten en me te richten op bacteriën die niet alleen wel of niet groeiden, maar die groeiden op oppervlakken of in ieder geval hun levensonderhoud uit oppervlakken haalden. Dit was het concept van biofilms en in het midden van de jaren negentig waren ingenieurs daarin geïnteresseerd vanwege stromingsproblemen in buizen, enzovoort.

Maar microbiële fysiologen en genetici hadden daar weinig aandacht aan besteed. Daarom zijn we teruggegaan naar modelsystemen om mutanten te maken die niet in staat waren zich aan oppervlakken te hechten. En dus, nu, 10 jaar later, kan ik samenvatten wat er is gebeurd?

Nu stel ik me voor dat we ons enerzijds veel hebben gericht op basisvestigingen, met name een bijzonder wonderbaarlijk modelorganisme dat sporen vormt en ons daardoor in staat stelt om naar zeer specifieke differentiatiepaden te kijken in de context van cellen die als een veld op een oppervlak zitten. Ik denk dat wat we de afgelopen 10 jaar hebben waargenomen, is dat er een enorme migratie is geweest van mensen die werkten aan cellen in suspensie naar het bestuderen van wat ze doen wanneer ze op oppervlakken zitten. Dus ik denk dat wat een engineering-gecentreerde visie op biofilms was, nu zeerzeer de aandacht heeft gekregen van vele verschillende vakgebieden, van mensen die zich bezighouden met genetica, moleculaire biologie, enzovoort, binnen de microbiologie.

Wat heeft dat nu concreet betekend voor de microbiologie? Ik weet niet zeker of het een enorm verschil heeft gemaakt, behalve dat er nu grote belangstelling is voor het besef hoe verschillend het bestaan op een oppervlak is in vergelijking met cellen in suspensie. Bij het vormen van een gemeenschap is er een organisatieniveau vereist, of we ontdekken dat dit gepaard gaat met de communicatie tussen cellen onderling.

Bij het bestuderen van de bacteriële fysiologie in een suspensie kunt u zien hoe een cel verandert doordat de omgeving verandert. Die cel hoeft op geen enkele wijze in chemisch of fysisch contact te staan met de andere cellen. U middelt simpelweg over een populatie; op basis van wat u in de gehele populatie ziet, kunt u concluderen wat er waarschijnlijk in een enkele cel gebeurt.

Wanneer u die populatie schudt en ze allemaal zweven in een vloeistof, maakt het eigenlijk niet uit dat de andere cellen aanwezig zijn. Voor de onderzoeker is dit wel van belang, omdat u op basis daarvan de gemiddelden berekent, maar voor de cel maakt het niet uit. De fysiologie wordt bepaald door de manier waarop de cel reageert op de omgeving, en niet noodzakelijkerwijs door de reactie op andere cellen.

Zodra de cellen neerdalen en beginnen met het vormen van een extracellulaire matrix en zich gaan organiseren in verschillende celtypen binnen die gemeenschap, beginnen ze met elkaar te communiceren. Zo opent het gehele vakgebied van celcommunicatie zich via de studie van oppervlakte-geassocieerde gemeenschappen. De huidige uitdagingen, denk ik voor ons, in het gebied van biofilms, specifiek voor wat wij in mijn laboratorium doen, is dat het vermogen om de lineage van een individuele cel en diens lot te volgen, nog steeds technieken vereist die we pas net beginnen te ontwikkelen.

Ik vraag me af, hoe beoordeel je eigenlijk de fysiologische toestand van een individuele cel in de context van duizenden andere cellen? Technisch gezien is dat zeer moeilijk. We hebben reportergenen, we hebben methoden om dit te doen, maar het blijft een enorme uitdaging om, zonder de cel te storen, te kunnen beoordelen wat er fysiologisch met de cel gebeurt in andere gebieden waaraan ik betrokken ben en die betrekking hebben op communicatie tussen cellen.

Een grote uitdaging is hoe je, je weet, een van de zaken die we de afgelopen jaren in de microbiologie zijn gaan beseffen, is de opmerkelijke diversiteit die er is. Als je een net wilt uitwerpen dat veel onthult, een heel breed net dat veel vertelt over de microbiële wereld in haar ware staat — gezien hoeveel signalen er zijn — hoe kun je dan een net uitwerpen dat zelfs maar redelijk uitgebreid is? Conceptueel is een enorme uitdaging dus of wat we doen met deze volledig artificiële laboratoriumconstructies, waarin we de bacteriën observeren, werkelijk iets weerspiegelt van wat ze in de echte wereld doen.

Ik bedoel, is het een volledig artefact dat zich bevindt op het niveau van de moleculen die ze naar elkaar sturen en zelfs de structuren die ze vormen? Dus, zijn de anatomische beschrijvingen die we van deze gemeenschappen maken valide voor wat ze echt doen, wat deze organismen in de echte wereld doen? En dat weten we niet, omdat mensen zelden in staat zijn geweest om de echte wereld in te gaan en te observeren wat bacteriën daar werkelijk doen op het niveau waarop we dat in het laboratorium kunnen observeren, en wanneer we daarheen gaan, kunnen we ze wel observeren, maar is dat een volledig andere manier van observatie.

Ja, ik probeer niet te profetisch te zijn over, je weet, wat het werk dat we doen daadwerkelijk te maken zal hebben met de echte wereld, omdat ik er niet van overtuigd ben dat er een direct verband is. Maar laat me je vertellen hoe mensen over het algemeen tegen twee gebieden aankijken. Een van die gebieden zijn biofilms en de andere is cel-celcommunicatie.

Het is dan ook algemeen bekend dat veel van de huidige infecties waarbij bacteriën betrokken zijn, veroorzaakt worden door bacteriën die zeer moeilijk te behandelen zijn met conventionele therapieën. Dit komt niet noodzakelijkerwijs doordat ze genetisch resistent zijn in alle gevallen, maar feitelijk doordat deze bacteriën, wanneer ze zich in deze biofilms bevinden — de aan het oppervlak gebonden gemeenschappen — fysiologisch resistent of tolerant worden voor de behandeling met antibiotica. Zo kan er bijvoorbeeld een geïmplanteerd hulpmiddel zijn, zoals een katheter, dat geïnfecteerd raakt; zodra dat gebeurt, is die infectie zeer moeilijk uit te roeien omdat de bacteriën die zich op de katheter bevinden vrij resistent zijn tegen bekende therapieën.

Een van de hoopvolle verwachtingen is dat door een beter begrip van de toestand van cellen in de biofilm, het gemakkelijker zal worden om nieuwe strategieën te ontwikkelen om die bacteriën aan te pakken die met conventionele strategieën niet worden geëlimineerd. Dat is één mogelijkheid. Men kan ook aanvoeren dat wanneer we begrijpen hoe bacteriën zich in deze biofilms gedragen, we ze in de toekomst in staat kunnen stellen om nuttigere stoffen voor ons te produceren.

Sorteer het, het hele concept van bioprocessing, en dit gaat verder, verder dan alleen de geneeskunde. U kunt u voorstellen dat in vele industrieën die bacteriën gebruiken, als we zouden weten hoe we ze beter dingen kunnen laten produceren als biofilms, ze effectiever, efficiënter, enzovoort, zouden kunnen zijn. Dit idee van het bedekken van oppervlakken met bacteriën is eigenlijk interessant; het bedekt bijna elk oppervlak op de planeet.

Zelfs mensen die betrokken zijn bij scheepvaartroutes kunnen nadenken over hoe ze de biofilm op hun schepen kunnen beheersen, zodat de schepen efficiënter kunnen varen. U kunt u dus voorstellen dat het begrijpen van de natuurlijke setting waarin bacteriën met oppervlakken interageren, een grote impact heeft op vrijwel alles. Maar ik probeer niet te forceren dat wat we doen uiteindelijk tot verbeteringen zal leiden, omdat ik dat liever op zichzelf laat gebeuren.

Het andere gebied waarover ik u wilde vertellen, was de cel-celcommunicatie. En dat is een interessant punt, omdat we middelen hebben die we antibiotica noemen en, en de kern van de zaak is dat wat ik u eerder vertelde: in het laboratorium en in de geneeskunde weten we wat deze verbindingen zijn. Ze worden antibiotica genoemd, toch?

Dat komt omdat ze bacteriën doden. Ze worden echter geproduceerd door bacteriën. De meeste antibiotica worden door bacteriën gemaakt.

En het grappige is dat we als wetenschappelijke gemeenschap echt geen idee hebben wat deze verbindingen in de natuur doen. Ja. We hebben geen direct bewijs dat de bacteriën die ze produceren, dat doen omdat ze deze als antibiotica willen gebruiken, toch? Er zijn juist veel aanwijzingen dat ze in feite dienen als signaalmoleculen, niet om elkaar te doden, maar om te communiceren.

En het mooie daarvan is dat u het vanuit een andere hoek kunt bekijken en kunt stellen: misschien blijken nieuw ontdekte signaleringsmoleculen wel nuttige antibiotica te zijn. Een mogelijkheid voor translationeel onderzoek zou dus zijn om nieuwe signaleringsverbindingen te ontdekken en te kijken of u, door de signalen te blokkeren, nieuwe therapieën kunt ontwikkelen, of dat sommige van de moleculen die u als signaleringsmolecuul ontdekt uiteindelijk een nuttig therapeutisch middel kunnen worden. Ja, dat is altijd een uitdaging.

Ik bedoel, ik kan u vertellen wat ik, wat ik over vijf jaar wellicht aan het doen ben. Ik weet niet of dat noodzakelijkerwijs het belangrijkste is. Je kunt de toekomst over vijf jaar nooit voorspellen, denk ik.

Maar, ik kom nu terug op iets wat ik eerder heb gezegd. Ik denk in termen van microbiële ecologie, en dat houdt in dat er complexe gemeenschappen worden gevormd en dat er gekeken wordt naar interacties tussen verschillende soorten. Ik geloof dat we dit idee echt moeten benutten: dat we nu steeds betere mogelijkheden hebben op het niveau van de enkele cel.

Dus, ik denk dat de richting die we op moeten gaan het verkennen van de microbiële ecologie is, niet door — ik bedoel, het is nog steeds nuttig om naar de oceanen en de bossen te gaan en een soortgelijk verzamelwerk te doen als men de afgelopen 20 jaar heeft gedaan, wat zeer nuttig is geweest. Maar we moeten daadwerkelijk beginnen in te zien wat deze talloze soorten zijn, hoe ze met elkaar omgaan en hoe ze interageren, niet op de typische schaal waar we tot nu toe naar hebben gekeken in termen van enorme populatiegroottes, maar eerder in populatiegroottes die relevant of reëel zijn op het niveau van een enkele cel. Ik denk dus dat we terug moeten gaan naar de microscopische analyse van kleine aantallen om te zien hoe ze met elkaar interageren.

Ik denk dus dat we, hoe meer we dat doen, hoe meer we zullen leren over de werkelijke interacties, en dat we dat vervolgens kunnen extrapoleren naar de gemeenschappen die, je weet, in de oceaan voorkomen, enzovoort. Maar ik denk dat we daar opnieuw naar moeten kijken en kijken op schalen die relevant zijn voor de grootte van de bacteriën. Bijna alles wordt momenteel gedaan door gemiddelden te nemen over schalen die voor dit organisme echt hele universums vormen, toch?

Mensen denken vaak dat een kleine schaal een centimeter is, maar in een kubieke centimeter kunnen 10⁹ organismen en 10⁴ soorten in de bodem voorkomen, nietwaar? Daarom moeten we echt inzoomen op schalen van kubieke microns om te zien hoe deze cellen interageren en wat hun fysiologie daar is.

Hoe kijken zij in die context naar hun wereld? Als ik vandaag met mijn postdoc zou beginnen, ik... ik meen het nu echt. Ik denk dat elke keer wanneer er een nieuwe postdoc in mijn lab komt, ik mijn lab opnieuw opstart.

En dat is heel anders dan in de meeste laboratoria, nietwaar? Dus in zekere zin heb ik die ervaring telkens wanneer er een nieuwe postdoc hier arriveert; ja, er is een zekere traditie in wat ik heb gedaan, maar ik denk dat ik de wereld steeds met een frisse blik zie. Ik denk dat microbiële ecologie het vakgebied is waarin ik dit zou doen, maar dan in de context van experimentele ecologie, waarbij ik de populaties en soorten waarvan ik de interacties bestudeer echt kan manipuleren en controleren, en niet microbiële ecologie in de zin van het enkel observeren van wat er aanwezig is.

Ik bedoel, dat is geen gebied waarvan ik denk dat het belangrijk is dat mensen dat doen, maar ik denk niet dat het het antwoord is op alle vragen. We moeten echt kijken naar het mechanisme, de mechanistische basis voor interacties tussen de soorten. En je moet het eenvoudig genoeg maken zodat je het kunt aanpakken.

In feite ben ik van mening dat het gehele vakgebied van de ecologie, en niet alleen de microbiële ecologie, sterk zal profiteren van experimentele ecologie. Dat zal voortkomen uit het bestuderen van bacteriële systemen met soorten die beheersbaar zijn en waarbij men zaken werkelijk kan controleren. Dat is wat ik nu zou kiezen om te doen.

Dat is wat ik doe.