Biologia społeczności mikrobiologicznych – wywiad

Nazywam się Roberto Coulter. Jestem profesorem mikrobiologii i genetyki molekularnej tutaj, w Harvard Medical School, gdzie pracuję od 1983 roku. Kieruję laboratorium składającym się z około 10 osób, z których wszystkie są doktorantami po studiach (postdocami) i interesują się wieloma obszarami świata mikroorganizmów.

Zatem, jeśli mogłabym zacząć od tego – ponieważ być może zechcą Państwo zadać mi konkretne pytania – moje laboratorium jest nieco eklektyczne pod względem rodzaju prowadzonej pracy. Niektóre laboratoria są bardzo skoncentrowane na wybranych obszarach. W moim przypadku cechą charakterystyczną jest to, że każdy postdoc skupia się na konkretnej dziedzinie, ale między poszczególnymi postdocami prawie nie ma punktów wspólnych.

Zatem może być dla mnie trudne opisanie tego, czym zajmuje się moje laboratorium i na czym polega moja praca, ponieważ nie tylko obejmuje ona wiele obszarów, ale także pięć lat temu była zupełnie inna niż obecnie. 10 lat temu zajmowaliśmy się głównie tym, co nazywano fizjologią fazy stacjonarnej. Chodzi o to, co dzieje się z komórkami, które nie wykazują aktywnego wzrostu.

I że w tamtym czasie była to kombinacja zdarzeń z 10 lat wcześniej, kiedy zaczęliśmy zadawać te pytania. Do tego momentu dziedzina ta – mam na myśli fizjologów mikroorganizmów w ogóle – zaadaptowała się do pomysłu, że powinni badać bakterie, które nie rosły, i dlatego zdecydowałem w tamtym czasie, aby w pewnym stopniu zrezygnować z tego podejścia i przejść do bakterii, które nie tylko rosły lub nie rosły, ale rosły na powierzchniach lub przynajmniej utrzymywały się dzięki powierzchniom. Była to koncepcja biofilmostu, a w połowie lat dziewięćdziesiątych inżynierowie byli tym zainteresowani ze względu na problemy z przepływem w rurach i tym podobne.

Jednak fizjolodzy i genetycy zajmujący się mikroorganizmami nie poświęcali temu zbyt wiele uwagi. Zaczęliśmy więc tworzyć w systemach modelowych mutanty, które nie były w stanie przytwierdzać się do powierzchni. I zatem, 10 lat później, czy mogę podsumować to, co się wydarzyło?

Obecnie uważam, po pierwsze, że to, co zrobiliśmy, koncentrowało się w dużej mierze na podstawowych osadach, szczególnie na jednym wspaniałym organizmie modelowym, który wytwarza zarodniki, co pozwala nam badać bardzo konkretne szlaki różnicowania w kontekście komórek znajdujących się na powierzchni w formie błony. Myślę, że w ciągu ostatnich 10 lat zaobserwowano ogromną migrację osób, które pracowały nad komórkami w zawiesinie, a teraz badają, co dzieje się z nimi, gdy znajdują się one na powierzchniach. Uważam zatem, że to, co wcześniej było postrzegane głównie z perspektywy inżynieryjnej w odniesieniu do biofilmów, obecnie przyciągnęło uwagę wielu różnych grup badaczy zajmujących się genetyką, biologią molekularną i tym podobnymi w ramach mikrobiologii.

Zatem co to oznaczało w kontekście mikrobiologii? Nie jestem pewien, czy przyniosło to ogromną różnicę, z wyjątkiem tego, że obecnie istnieje wielka ekscytacja związana z rozpoznaniem, jak bardzo różni się egzystencja na powierzchni od sytuacji, gdy komórki znajdują się w zawiesinie. W procesie tworzenia społeczności istnieje poziom organizacji, który wymaga – lub odkrywamy, że wiąże się z tym – komunikacji komórek między sobą.

Oznacza to, że badając fizjologię bakterii w zawiesinie, można obserwować zmiany zachodzące w komórce pod wpływem zmian w jej środowisku. Komórka ta w żaden sposób nie musi pozostawać w kontakcie chemicznym ani fizycznym z innymi komórkami w próbce. Wyciąga się jedynie wnioski na temat tego, co może dziać się w pojedynczej komórce, opierając się na średniej z całej badanej populacji.

Kiedy wstrząsa się taką populacją i wszystkie komórki unoszą się w cieczy, obecność pozostałych komórek nie ma w rzeczywistości większego znaczenia. Jest to istotne dla badacza, ponieważ pozwala na wyciągnięcie średnich wartości, ale dla samej komórki nie ma to znaczenia. Jej fizjologia jest definiowana przez reakcję na środowisko, a niekoniecznie przez reakcję na inne komórki.

Gdy komórki opadną i zaczną tworzyć macierz zewnątrzkomórkową oraz organizować się w różne typy komórek w obrębie danej społeczności, zaczynają one komunikować się ze sobą. W ten sposób, dzięki badaniom nad społecznościami związanymi z powierzchnią, otwiera się cały obszar badań nad komunikacją międzykomórkową. Uważam, że obecnymi wyzwaniami w dziedzinie biofilmów – szczególnie w kontekście prac prowadzonych w moim laboratorium – są techniki pozwalające śledzić linię pochodzenia pojedynczej komórki oraz jej dalszy los, które dopiero zaczynamy opracowywać.

Zastanówmy się, w jaki sposób można właściwie ocenić stan fizjologiczny pojedynczej komórki w kontekście tysięcy innych komórek? Technicznie jest to bardzo trudne. Dysponujemy genami reporterowymi i różnymi metodami realizacji tego zadania, jednak wciąż ogromnym wyzwaniem pozostaje możliwość oceny procesów fizjologicznych zachodzących w komórce bez jej zaburzania, co jest istotne również w innych obszarach moich badań, dotyczących komunikacji międzykomórkowej.

Ogromnym wyzwaniem jest to, jak – wiecie, jedną z rzeczy, które dostrzegliśmy w mikrobiologii w ostatnich latach, jest ta niezwykła różnorodność, która istnieje, i jeśli chcemy zarzucić sieć, która powie nam wiele, bardzo szeroką sieć, która powie nam wiele o świecie mikrobów w jego prawdziwym stanie – czyli o tym, jak wiele sygnałów tam występuje – to jak zarzucić sieć, która byłaby choćby w stopniu rozsądnym kompleksowa? Zatem ogromnym wyzwaniem koncepcyjnym jest pytanie, czy to, co robimy z tymi całkowicie sztucznymi konstruktami laboratoryjnymi, w których obserwujemy bakterie, rzeczywiście odzwierciedla cokolwiek z ich aktywności w prawdziwym świecie?

Mam na myśli, czy jest to całkowicie artefakt, który przejawia się albo na poziomie cząsteczek, które przesyłają między sobą, a nawet struktur, które tworzą. Zatem, czy opisy anatomiczne tych społeczności, które sporządzamy, są właściwe dla tego, co one naprawdę robią, co te organizmy robią w rzeczywistym świecie? I tego nie wiemy, ponieważ rzadko udawało się ludziom wyjść w prawdziwy świat i zaobserwować, co bakterie tam naprawdę robią na poziomie, na którym możemy to obserwować w laboratorium, a kiedy tam wychodzimy, możemy je zaobserwować, ale jest to zupełnie inny sposób obserwacji.

Tak, staram się nie być zbyt, staram się nie być zbyt proroczy w kwestii tego, wiesz, jaki wpływ na świat rzeczywisty będzie miała praca, którą wykonujemy, ponieważ nie jestem przekonany, że istnieje bezpośredni związek. Ale pozwól, że opowiem ci, jak ludzie zazwyczaj postrzegają dwie, dwie dziedziny. Jedną z nich są biofilmy, a drugą komunikacja międzykomórkowa.

Powszechnie wiadomo zatem, że wiele współcześnie spotykanych infekcji bakteryjnych jest bardzo trudnych do leczenia za pomocą konwencjonalnych terapii. Nie wynika to z tego, że bakterie te są w każdym przypadku genetycznie oporne, lecz z faktu, że gdy znajdują się one w biofilmach – czyli wspólnotach związanych z powierzchnią – stają się fizjologicznie oporne lub tolerancyjne na działanie antybiotyków. Przykładowo, może dojść do zakażenia urządzenia wszczepialnego, takiego jak cewnik, a gdy to nastąpi, zwalczenie infekcji jest bardzo trudne, ponieważ bakterie osiadłe na cewniku wykazują znaczną oporność na znane metody leczenia.

Jednym z pożądanych efektów jest to, że dzięki lepszemu zrozumieniu stanu komórek w biofilmie łatwiej będzie opracować nowe strategie zwalczania bakterii, których konwencjonalne metody nie są w stanie wyeliminować. To jedna z możliwości. Można również argumentować, że jeśli dowiemy się, jak bakterie zachowują się w tych biofilmach, będziemy w stanie skłonić je do lepszej produkcji pożądanych przez nas substancji w przyszłości.

W pewnym sensie cały koncept bioprocesowania wykracza poza samą medycynę. Można sobie wyobrazić, że w wielu branżach wykorzystujących bakterie, gdybyśmy wiedzieli, jak skłonić je do skuteczniejszej produkcji w formie biofilmów, mogłyby one być bardziej efektywne, wydajne i tak dalej. Ta idea pokrywania powierzchni bakteriami jest właściwie interesująca, ponieważ obejmuje niemal każdą powierzchnię na planecie.

Dlatego nawet osoby zajmujące się szlakami transportowymi mogą zastanawiać się nad tym, w jaki sposób ograniczyć rozwój biofilmu na statkach, aby mogły one działać bardziej efektywnie. Można więc przypuszczać, że samo zrozumienie naturalnych uwarunkowań interakcji bakterii z powierzchniami ma ogromny wpływ na niemal każdą dziedzinę. Nie staram się jednak zakładać, że to, co robimy, doprowadzi w końcu do ulepszeń, ponieważ pozwalam, aby działo się to samoistnie.

Kolejnym obszarem, o którym chciałem opowiedzieć, jest komunikacja międzykomórkowa. Jest to interesujący temat, ponieważ dysponujemy substancjami, które nazywamy antybiotykami, a sedno sprawy jest takie, że to, o czym mówiłem wcześniej – w laboratorium i w medycynie wiemy, czym są te związki. Nazywamy je antybiotykami, prawda?

Dzieje się tak dlatego, że zabijają one bakterie. W rzeczywistości są one jednak wytwarzane przez bakterie. Większość antybiotyków jest produkowana przez bakterie.

I, co ciekawe, my jako społeczność naukowców zupełnie nie wiemy, jaką funkcję pełnią te związki w naturze. Tak. Nie mamy żadnych bezpośrednich dowodów na to, że bakterie wytwarzają je dlatego, że chcą ich używać jako antybiotyków, prawda? Istnieje zatem wiele przesłanek, że w rzeczywistości służą one jako cząsteczki sygnałowe – nie po to, by się nawzajem zabijać, lecz w celu sygnalizacji.

Zaletą takiego podejścia jest to, że można je odwrócić i założyć, że odkrycie nowych cząsteczek sygnałowych może w rzeczywistości doprowadzić do opracowania użytecznych antybiotyków. Jedną z możliwości badań translacyjnych byłoby zatem odkrycie nowych związków sygnałowych i sprawdzenie, czy poprzez blokowanie sygnałów można opracować nowe terapie lub czy niektóre z odkrytych cząsteczek sygnałowych mogłyby w przyszłości stać się użytecznym środkiem terapeutycznym. Tak, to zawsze jest trudne.

Chodzi mi o to, że mogę powiedzieć, co mógłbym robić za pięć lat. Nie wiem, czy jest tokoniecznie najważniejsze. Myślę, że nigdy nie można przewidzieć, co stanie się za pięć lat.

Ale, ale wrócę do czegoś, co powiedziałem wcześniej. Myślę o tym w kontekście ekologii mikroorganizmów, co wiąże się z tworzeniem złożonych społeczności i badaniem interakcji międzygatunkowych. Uważam, że musimy w pełni wykorzystać fakt, że dysponujemy obecnie coraz lepszymi narzędziami do analizy na poziomie pojedynczej komórki.

Zatem uważam, że kierunkiem, w którym powinniśmy podążyć, jest badanie ekologii drobnoustrojów, ale nie w ten sposób – mam na myśli, że wciąż pożyteczne jest wyprawianie się do oceanów i lasów oraz prowadzenie swoistego kolekcjonerstwa, którym zajmowano się przez ostatnie 20 lat, co było bardzo przydatne. Jednak musimy zacząć faktycznie zrozumieć, czym są te niezliczone gatunki, w jaki sposób oddziałują na siebie i jak te interakcje przebiegają nie w typowej skali, którą dotychczas badaliśmy w kontekście ogromnych liczebności populacji, lecz w liczebnościach istotnych lub realnych na poziomie pojedynczej komórki. Uważam więc, że powrót do analiz mikroskopowych małych liczebności w celu zbadania ich interakcji jest właściwym rozwiązaniem.

Sądzę zatem, że im więcej będziemy prowadzić takich badań, tym więcej dowiemy się o rzeczywistych interakcjach, a następnie będziemy mogli przenieść tę wiedzę na społeczności występujące w oceanach i tak dalej. Uważam jednak, że musimy wrócić do analizy w skalach istotnych z punktu widzenia rozmiarów bakterii. Obecnie większość badań opiera się na uśrednianiu skali, które dla tych organizmów stanowią w rzeczywistości całe wszechświaty, prawda?

Ludzie myślą, że mała skala to centymetr, ale w centymetrze, w centymetrze sześciennym może znajdować się 10⁹ organizmów i 10⁴ gatunków w glebie, prawda? Zatem musimy naprawdę przyjrzeć się temu w skalach mikrometrów sześciennych i zobaczyć, jak te komórki oddziałują ze sobą? Jaka jest tam ich fizjologia?

Jak oni postrzegają swój świat w tym kontekście? Gdybym zaczynał swój staż podoktorski dzisiaj, ja, ja... teraz mówię poważnie. Naprawdę uważam, że za każdym razem, gdy nowy postdoc przychodzi do mojego laboratorium, to tak, jakbym zakładał moje laboratorium na nowo.

I to jest bardzo różne od większości laboratoriów, prawda? Więc w pewnym sensie doświadczam tego za każdym razem, gdy przybywa tutaj nowy postdoc; tak, istnieje pewna tradycja tego, co robiłam, ale myślę, że patrzę na świat na nowo. Uważam, że ekologia mikroorganizmów to obszar, w którym bym to robiła, ale robiłabym to w kontekście ekologii eksperymentalnej, gdzie mogę naprawdę manipulować i kontrolować populacje oraz gatunki, których interakcje badam, a nie w sensie ekologii mikroorganizmów polegającej na obserwowaniu tego, co występuje w naturze.

Mam na myśli, że nie uważam tego obszaru za kluczowy dla wszystkich, ale nie sądzę, aby był on odpowiedzią na wszystkie pytania. Naprawdę musimy przyjrzeć się mechanizmowi, podstawom mechanistycznym interakcji między gatunkami. I trzeba to maksymalnie uprościć, aby móc się tym zająć.

W rzeczywistości uważam, że cała dziedzina ekologii, a nie tylko ekologia mikroorganizmów, odniesie ogromne korzyści z ekologii eksperymentalnej. Wyniknie to z analizowania systemów bakteryjnych z gatunkami, które są łatwe w obsłudze i pozwalają na rzeczywistą kontrolę parametrów. To właśnie taką drogę wybrałbym teraz.

To jest właśnie to, co robię.