Biologia de comunidades microbianas - Entrevista

Então, sou Roberto Coulter. Sou professor de microbiologia e genética molecular na Harvard Medical School, onde trabalho desde 1983. Lidero um laboratório com cerca de 10 pessoas, todas pós-doutorandas, interessadas em diversas áreas do mundo microbiano.

E então, se me permite começar dizendo isso logo de início, porque você talvez queira me fazer algumas perguntas específicas, mas se me permite iniciar, meu laboratório é um pouco eclético no que diz respeito ao tipo de trabalho que nele é realizado. Alguns laboratórios são muito focados em áreas específicas. Enquanto que, se eu tivesse que caracterizar algo sobre o meu laboratório, seria o fato de que cada pós-doutorando aqui presente está focado em uma área, mas há quase nenhuma sobreposição entre um pós-doutorando e outro.

Então, pode ser difícil para mim explicar exatamente o que é meu laboratório e qual é o meu trabalho, porque não se trata apenas de um trabalho que abrange diversas áreas, mas também é algo que, há cinco anos, era muito diferente do que é agora. Há dez anos, estávamos trabalhando principalmente com o que era conhecido como fisiologia de fase estacionária, ou seja, o que acontece com as células que não estão se dividindo ativamente.

E naquela época havia sido a combinação de 10 anos antes, quando começamos a levantar essas perguntas. E até então, a área — quero dizer, os fisiologistas microbianos em geral — já haviam se adaptado à ideia de que deveriam observar bactérias que não estavam em crescimento, o que era, e então decidi naquela época abandonar em certa medida essa abordagem e estudar bactérias que não apenas estavam crescendo ou não, mas que cresciam em superfícies ou, pelo menos, viviam a partir de superfícies. Esse era o conceito de biofilmes, e, na metade dos anos noventa, os engenheiros estavam interessados nisso por causa de problemas de fluxo em tubos, etc.

Mas fisiologistas e geneticistas microbianos não haviam dado muita atenção a isso. Então começamos a gerar mutantes em sistemas modelo que eram incapazes de se ligar a superfícies. E, agora, dez anos depois, posso resumir o que aconteceu?

Agora, imagino que, em primeiro lugar, o que fizemos foi concentrar-nos muito em *Bacillus subtilis*, um organismo modelo particularmente notável que produz esporos e, portanto, nos permite analisar vias muito específicas de diferenciação no contexto de células posicionadas sobre uma superfície em formato de campo. Acho que o que os últimos 10 anos têm observado é que houve uma grande migração de pesquisadores que trabalhavam com células em suspensão para agora investigar o que essas células fazem quando estão aderidas a superfícies. Assim, penso que aquilo que era uma visão centrada na engenharia sobre biofilmes agora atrai plenamente a atenção de muitas e diferentes áreas de pesquisadores que atuam em genética, biologia molecular, entre outros campos da microbiologia.

Então, o que isso significou em termos de microbiologia? Não tenho tanta certeza de que tenha feito uma grande diferença, exceto pelo fato de que agora há um grande entusiasmo em reconhecer quão diferente é a existência em uma superfície em comparação com quando as células estão em suspensão. Ao montar uma comunidade, há um nível de organização que exige, ou que, descobrimos, envolve a comunicação entre as células.

Isso consiste em estudar a fisiologia bacteriana em suspensão, permitindo observar como uma célula muda em resposta às alterações em seu ambiente. De maneira alguma é necessário que essa célula esteja em contato químico ou físico com as demais células presentes. Você simplesmente faz uma média ao longo de uma população, inferindo a partir do que se observa na população inteira o que poderia estar ocorrendo em uma única célula.

Quando você está agitando essa população e todas as células estão flutuando em um líquido, realmente não importa se as outras células estão presentes. Isso importa para o pesquisador, pois a partir disso se obtêm as médias, mas não importa para a célula. Sua fisiologia é definida pela forma como ela reage ao ambiente, não necessariamente pela forma como reage a outras células.

Uma vez que as células se acomodam e começam a formar uma matriz aceleradora, passam a se organizar em diferentes tipos celulares dentro dessa comunidade; nesse momento, elas começam a se comunicar entre si. Assim, toda a área de comunicação entre células abre-se por meio dos estudos de comunidades associadas à superfície. Os desafios atuais, creio eu, para nós, na área de biofilmes, como no que fazemos no meu laboratório, envolvem a ideia de poder acompanhar a linhagem de uma célula individual e seu destino, o que ainda exige técnicas que estamos apenas começando a desenvolver.

Digo, como você realmente avalia o estado fisiológico de uma célula individual no contexto de milhares de outras células? Tecnicamente, isso é muito difícil. Nós temos genes repórter, temos métodos para fazê-lo, mas ainda representa um grande desafio, sem perturbar a célula, conseguir avaliar o que está acontecendo com ela fisiologicamente em outras áreas com as quais estou envolvido e que envolvem a comunicação entre células.

Um grande desafio é como você, você sabe, uma das coisas que passamos a reconhecer em microbiologia nos últimos anos é a diversidade notável que existe lá fora e, se você deseja lançar uma rede que lhe diga muito, uma rede muito ampla que lhe informe muito sobre o mundo microbiano, em seu estado real, como são os muitos sinais existentes, como você pode lançar uma rede que seja mesmo razoavelmente abrangente? Assim, um enorme desafio conceitual é o que estamos fazendo com essas construções laboratoriais completamente artificiais nas quais observamos a existência das bactérias, elas realmente refletem algo do que esses microrganismos fazem no mundo real?

Quero dizer, será que se trata de um artefato completo, algo que ocorre no nível das moléculas que eles enviam uns aos outros, ou mesmo nas estruturas que formam? Assim, as descrições anatômicas que fazemos dessas comunidades são válidas para aquilo que esses organismos realmente fazem no mundo real? E nós não sabemos, porque raramente as pessoas conseguiram sair para o mundo real e observar o que as bactérias realmente estão fazendo lá, no nível em que conseguimos observá-las no laboratório; e quando saímos para observá-las, o fazemos de uma maneira completamente diferente de observação.

Sim, eu tento não ser muito, tento não ser muito profético sobre, você sabe, qual será o impacto do trabalho que estamos realizando no mundo real, porque não estou convencido de que exista uma conexão direta. Mas deixe-me apenas explicar o que as pessoas geralmente pensam sobre duas áreas. Uma dessas áreas é a dos biofilmes e a outra é a comunicação célula a célula.

É amplamente reconhecido que muitas das infecções observadas atualmente, que envolvem bactérias, apresentam microrganismos muito difíceis de tratar com terapias convencionais. E isso não ocorre porque essas bactérias sejam geneticamente resistentes em todos os casos ou em todas as condições, mas porque, quando essas bactérias estão em biofilmes — comunidades associadas à superfície —, elas se tornam fisiologicamente resistentes ou tolerantes ao tratamento com antibióticos. Por exemplo, pode-se ter um dispositivo implantável, como um cateter, que fica infectado; e, uma vez que isso acontece, a infecção é muito difícil de erradicar, pois as bactérias aderidas ao cateter são bastante resistentes às terapias conhecidas.

Assim, uma das coisas que as pessoas esperam é que, ao compreender melhor o estado das células no biofilme, será mais fácil desenvolver novas estratégias para combater aquelas bactérias que as estratégias convencionais não conseguem erradicar. Essa é uma possibilidade. Também se pode argumentar que, se aprendermos como as bactérias se comportam nesses biofilmes, poderemos fazê-las produzir substâncias melhores para nós no futuro.

Uma espécie de, todo o conceito de bioprocessamento, e isso vai além, além da medicina. Pode-se imaginar em muitas indústrias que utilizam bactérias que, se soubéssemos como fazê-las produzir substâncias de forma mais eficaz como biofilmes, elas seriam, seriam, poderiam ser mais eficazes, mais eficientes, etc. Essa ideia de cobrir superfícies com bactérias, na verdade é interessante, cobre quase qualquer superfície do planeta.

E assim, mesmo pessoas envolvidas em rotas marítimas podem pensar, sabe, em como manter o bio desempenhando nas embarcações delas para que os navios possam operar de forma mais eficiente. Então, você pode imaginar que apenas compreender o ambiente natural no qual bactérias interagem com superfícies tem um grande impacto em praticamente todos os lugares. Mas eu não tento pensar que o que estamos fazendo vai eventualmente levar a melhorias, porque, sabe, eu deixo que isso aconteça naturalmente.

A outra área sobre a qual eu queria falar era a comunicação célula a célula. E essa é uma área interessante porque, de fato, temos substâncias que chamamos de antibióticos e, em resumo, o que eu estava dizendo anteriormente é que, no laboratório e na medicina, conhecemos esses compostos. Eles são chamados de antibióticos, certo?

Então é porque eles matam bactérias. Na verdade, eles são produzidos por bactérias. A maioria dos antibióticos é produzida por bactérias.

E, o mais curioso é que nós, como comunidade de cientistas, realmente não temos ideia do que esses compostos estão fazendo na natureza. É verdade. Não temos nenhuma evidência direta de que as bactérias que os produzem o façam porque desejam utilizá-los como antibióticos, certo? E, portanto, há muitas indicações de que, na realidade, eles atuam como moléculas sinalizadoras, não para se matarem mutuamente, mas para sinalizar.

E assim, o bom em relação a isso é que você pode, de certa forma, inverter a perspectiva e dizer: bem, talvez, se descobrirmos novas moléculas sinalizadoras, elas realmente possam se tornar antibióticos úteis. Então, uma possibilidade de pesquisa translacional seria: descobrir novos compostos sinalizadores e verificar se, ao bloquear esses sinais, poderíamos realmente desenvolver novas terapias, ou se algumas das próprias moléculas descobertas como moléculas sinalizadoras poderiam, eventualmente, tornar-se agentes terapêuticos úteis. Sim, isso sempre é difícil.

Quer dizer, posso dizer a você o que eu, o que eu poderia estar fazendo daqui a cinco anos. Não sei se isso é necessariamente o mais importante. Nunca se pode prever o futuro cinco anos adiante, eu acho.

Mas voltarei a algo que disse anteriormente. Penso em termos de ecologia microbiana, o que envolve criar comunidades elaboradas e analisar as interações entre espécies. Acredito que precisamos realmente explorar essa ideia de que agora podemos ter controles cada vez melhores no nível da célula única.

Portanto, acho que a direção para a qual precisamos avançar é explorar a ecologia microbiana, não dizendo que ainda seja útil sair por aí para os oceanos e florestas, e fazer aquele tipo de coleta de espécies que as pessoas vêm realizando há cerca de 20 anos, o que tem sido muito útil. Mas precisamos realmente começar a observar o que são essas inúmeras espécies, como estão interagindo e como estão interagindo não na escala típica em que temos investigado até agora, em termos de tamanhos populacionais enormes, mas sim em tamanhos populacionais relevantes ou reais ao nível de uma única célula. Por isso, acho que devemos retornar à análise microscópica de pequenos números para observar como eles interagem.

Então, acho que quanto mais fizermos disso, mais aprenderemos sobre as interações reais, e então poderemos extrapolar isso para as comunidades que, sabe, estão ocorrendo no oceano, entre outros ambientes. Mas acho que precisamos voltar e observar escalas que sejam relevantes ao tamanho das bactérias. Atualmente, quase tudo está sendo feito por meio de médias em escalas que são verdadeiros universos inteiros para este organismo, não é mesmo?

Então as pessoas pensam que uma pequena escala é um centímetro, mas em um centímetro cúbico pode haver 10⁹ organismos e 10⁴ espécies no solo, certo? Portanto, precisamos realmente entrar ali e observar em escalas de micrômetros cúbicos para ver como essas células estão interagindo. Qual é a fisiologia delas nesse ambiente?

Como eles estão enxergando seu mundo nesse contexto? Se eu estivesse começando meu pós-doutorado hoje, eu... eu estou falando sério agora. Eu realmente acho que, toda vez que um novo pós-doutorando chega ao meu laboratório, estou reiniciando meu laboratório.

E isso é muito diferente da maioria dos laboratórios, certo? Então, de certa forma, eu realmente tenho essa experiência toda vez que um novo pós-doutorando chega aqui; sim, existe alguma tradição sobre o que eu já fiz, mas acho que estou enxergando o mundo de maneira nova. Acho que a ecologia microbiana é a área na qual eu atuaria, mas eu a abordaria no contexto da ecologia experimental, na qual posso realmente manipular e controlar as populações e as espécies com as quais estou trabalhando em interação, e não a ecologia microbiana no sentido de apenas observar o que existe lá fora.

Quero dizer, essa não é uma área que eu considere importante que as pessoas explorem, mas não acho que ela seja, ela seja, a resposta para todas as perguntas. Precisamos realmente examinar o mecanismo, a base mecanicista das interações entre as espécies. E você precisa torná-lo simples o suficiente para que possa abordá-lo.

Na verdade, acredito que todo o campo da ecologia, não apenas a ecologia microbiana, se beneficiará enormemente da ecologia experimental. Isso virá do estudo de sistemas bacterianos, onde se tem espécies manejáveis, nas quais é realmente possível controlar as variáveis. Por isso, é isso que eu escolheria fazer agora.

É isso que estou fazendo.