Биология микробных сообществ - Интервью

Меня зовут Роберто Колтер. Я профессор микробиологии и молекулярной генетики здесь, в Гарвардской медицинской школе, и работаю здесь с 1983 года. Я руковожу лабораторией, в которой работают около 10 человек, все они — постдоки, и все интересуются различными аспектами микробного мира.

Поэтому, если позволите, я начну с того, что моя лаборатория довольно эклектична с точки зрения направлений проводимых исследований. Некоторые лаборатории очень узко специализированы на определенных областях. В моей же лаборатории характерно то, что каждый постдок сосредоточен на своем конкретном направлении, и между их работами практически нет пересечений.

Поэтому мне может быть трудно точно описать мою лабораторию и мою работу, так как она не только охватывает множество областей, но и значительно изменилась за последние пять лет. 10 лет назад мы работали преимущественно над тем, что было известно как физиология стационарной фазы. То есть над процессами, происходящими в клетках, которые не растут активно.

И в то время это было сочетанием факторов десятилетней давности, когда мы начали задаваться этими вопросами. К тому моменту в данной области — я имею в виду микробиологов-физиологов в целом — прижилась идея о том, что следует изучать бактерии, которые не росли. Поэтому в то время я решил в некоторой степени отказаться от этого и переключиться на бактерии, которые не просто росли или не росли, а росли на поверхностях или, по крайней мере, за счет поверхностей поддерживали свою жизнедеятельность. Это была концепция биопленок, и в середине девяностых этим интересовались инженеры из-за проблем с потоками в трубках и тому подобном.

Однако физиологи и генетики микроорганизмов не уделяли этому особого внимания. Поэтому мы начали создавать мутанты в модельных системах, которые были неспособны прикрепляться к поверхностям. И вот, спустя 10 лет, могу ли я резюмировать то, что произошло?

На данный момент, полагаю, во-первых, большая часть нашей работы была сосредоточена на базовых аспектах, в частности, на одном очень удобном модельном организме, который образует споры, что позволяет нам изучать специфические пути дифференцировки в контексте клеток, расположенных на поверхности в виде биопленки. Думаю, за последние 10 лет наблюдалась масштабная миграция специалистов: люди, которые раньше изучали клетки в суспензии, теперь исследуют их поведение при нахождении на поверхностях. Таким образом, то, что раньше было скорее инженерным взглядом на биопленки, теперь привлекает значительное внимание представителей многих различных областей микробиологии, включая генетику, молекулярную биологию и другие дисциплины.

Итак, что же это означает с точки зрения микробиологии? Я не совсем уверен, что это привело к колоссальным изменениям, за исключением того, что сейчас наблюдается огромный интерес к пониманию того, насколько существование на поверхности отличается от существования клеток в суспензии. При формировании сообщества возникает уровень организации, который требует — или, как мы сейчас обнаруживаем, предполагает — взаимодействие клеток друг с другом.

Таким образом, при изучении физиологии бактерий в суспензии вы можете наблюдать, как клетка меняется в ответ на изменение окружающей среды. При этом клетке совершенно не обязательно находиться в химическом или физическом контакте с другими клетками в данной среде. Вы просто вычисляете среднее значение по популяции и на основании того, что видите во всей популяции, делаете предположение о происходящем в отдельной клетке.

Когда вы встряхиваете эту популяцию и все клетки плавают в жидкости, присутствие других клеток не имеет существенного значения. Это важно для исследователя, так как на основе этих данных вычисляются средние значения, но для самой клетки это не имеет значения. Ее физиология определяется тем, как она реагирует на окружающую среду, а не обязательно тем, как она взаимодействует с другими клетками.

Когда клетки оседают и начинают формировать матрикс, который ускоряет их объединение в различные типы клеток внутри сообщества, они начинают взаимодействовать друг с другом. Таким образом, изучение поверхностно-ассоциированных сообществ открывает целую область исследования клеточной коммуникации. Современные проблемы, по моему мнению, в области изучения биопленок — в частности, в том, чем мы занимаемся в моей лаборатории, — заключаются в том, что возможность отслеживать линию отдельной клетки и определять ее дальнейшую судьбу все еще требует методов, которые мы только начинаем разрабатывать.

Я спрашиваю, как на самом деле оценить физиологическое состояние отдельной клетки в контексте тысяч других клеток? Технически это очень сложно. У нас есть репортерные гены, есть способы сделать это, но это по-прежнему представляет собой огромную проблему — иметь возможность оценить физиологическое состояние клетки, не нарушая её целостности, в других областях моей деятельности, которые связаны с межклеточной коммуникацией.

Одной из серьезных проблем является то, что — как вы понимаете — в последние годы в микробиологии мы осознали наличие колоссального разнообразия. И если вы хотите «закинуть сеть», которая даст вам много информации, очень широкую сеть, позволяющую узнать о микробном мире в его истинном состоянии, то возникает вопрос: при таком огромном количестве сигналов, как можно создать сеть, которая была бы хотя бы относительно всеобъемлющей? Таким образом, концептуальная проблема заключается в следующем: отражают ли полностью искусственные лабораторные конструкции, в которых мы наблюдаем за бактериями, то, что они действительно делают в реальном мире?

Я имею в виду, или же это полностью артефакт, который проявляется либо на уровне молекул, которыми они обмениваются, либо даже в структурах, которые они формируют. Таким образом, являются ли анатомические описания этих сообществ достоверными с точки зрения того, что они делают на самом деле, что эти организмы делают в реальном мире? И мы этого не знаем, потому что люди редко имели возможность выйти в реальный мир и понаблюдать за тем, что бактерии делают там на самом деле, на том уровне, на котором мы можем наблюдать это в лаборатории; и когда мы выходим туда, мы можем их наблюдать, но это совершенно иной способ наблюдения.

Да, я стараюсь не быть слишком, стараюсь не быть слишком пророческим в отношении того, знаете ли, как работа, которую мы выполняем, будет на самом деле связана с реальным миром, потому что я не уверен, что здесь существует прямая связь. Но позвольте мне рассказать вам о том, как люди в целом воспринимают две области. Одна из них — это биопленки, а другая — межклеточная коммуникация.

Общеизвестно, что многие из наблюдаемых сегодня бактериальных инфекций вызваны бактериями, которые очень трудно поддаются лечению стандартными методами терапии. Дело не в том, что они обладают генетической резистентностью во всех случаях, а в том, что эти бактерии, находясь в составе биопленок — сообществ, ассоциированных с поверхностью, — физиологически становятся резистентными или толерантными к воздействию антибиотиков. Например, может произойти инфицирование имплантированного устройства, такого как катетер, и после этого инфекцию становится очень трудно ликвидировать, поскольку бактерии, находящиеся на катетере, весьма устойчивы к известным методам терапии.

Таким образом, одной из целей является более глубокое понимание состояния клеток в биопленке, что позволит облегчить разработку новых стратегий борьбы с бактериями, которые не уничтожаются с помощью традиционных методов. Это одна из возможностей. Также можно утверждать, что, изучив поведение бактерий в таких биопленках, мы сможем в будущем заставить их производить для нас более полезные вещества.

В некотором смысле, вся концепция биопроцессинга выходит далеко за пределы одной лишь медицины. Можно представить, что во многих отраслях промышленности, использующих бактерии, если бы мы знали, как заставить их более эффективно вырабатывать нужные вещества в виде биопленок, они могли бы стать более продуктивными, эффективными и так далее. Идея покрытия поверхностей бактериями на самом деле очень интересна, так как они покрывают практически любую поверхность на планете.

Таким образом, даже люди, работающие в сфере судоходства, могут задуматься о том, как предотвратить образование биопленок на своих судах, чтобы они могли работать более эффективно. Поэтому можно представить, что понимание того, как бактерии взаимодействуют с поверхностями в естественной среде, имеет огромное значение практически во всех областях. Однако я не пытаюсь заранее предугадать, приведет ли наша работа в конечном итоге к каким-либо улучшениям, так как я предпочитаю, чтобы это произошло естественным путем.

Другая область, о которой я хотел вам рассказать, — это межклеточная коммуникация. И это интересная тема, потому что у нас есть вещества, которые мы называем антибиотиками, и, в конечном счете, как я уже говорил ранее, в лабораторной практике и медицине мы знаем, что представляют собой эти соединения. Они называются антибиотиками, верно?

Таким образом, это происходит потому, что они уничтожают бактерии. При этом на самом деле они производятся бактериями. Большинство антибиотиков вырабатываются бактериями.

И, что самое забавное, мы как сообщество ученых совершенно не представляем, какую роль эти соединения играют в природе. Да, у нас нет прямых доказательств того, что бактерии вырабатывают их именно для использования в качестве антибиотиков. Напротив, существует множество признаков того, что на самом деле они служат сигнальными молекулами — не для того, чтобы уничтожать друг друга, а для передачи сигналов.

Прелесть этого подхода заключается в том, что его можно перевернуть с ног на голову и предположить следующее: если мы обнаружим новые сигнальные молекулы, они могут оказаться полезными антибиотиками. Таким образом, одним из вариантов трансляционных исследований было бы обнаружение новых сигнальных соединений с целью выяснить, можно ли создать новые методы терапии, либо блокируя эти сигналы, либо используя сами обнаруженные сигнальные молекулы в качестве терапевтических агентов. Да, это всегда непростая задача.

Я имею в виду, что могу сказать вам, чем я, возможно, буду заниматься через пять лет. Не уверен, что это обязательно самое важное. Думаю, никогда нельзя предсказать, что будет через пять лет.

Но я вернусь к тому, о чем говорил ранее. Я рассуждаю в категориях микробной экологии, что подразумевает создание сложных сообществ и изучение межвидовых взаимодействий. Я считаю, что нам необходимо в полной мере использовать тот факт, что теперь у нас есть всё более совершенные инструменты управления на уровне отдельных клеток.

Итак, я считаю, что нам следует двигаться в направлении изучения микробной экологии, но не через — я имею в виду, что все еще полезно выезжать в океаны или леса и заниматься своего рода «коллекционированием марок», как это делали последние 20 лет, что приносило свои плоды. Однако нам нужно начать понимать, что представляют собой эти бесчисленные виды, как они взаимодействуют и как происходит это взаимодействие не в типичном масштабе, который мы рассматривали до сих пор, с огромными размерами популяций, а в масштабах, которые актуальны или реальны на уровне одной клетки. Поэтому я считаю, что нам нужно вернуться к микроскопическому анализу малых групп клеток, чтобы увидеть, как они взаимодействуют.

Таким образом, я полагаю, что чем больше мы будем проводить подобных исследований, тем больше мы узнаем о реальных взаимодействиях, и затем мы сможем экстраполировать эти данные на сообщества, существующие в океане и так далее. Но я считаю, что нам необходимо вернуться к изучению масштабов, соответствующих размеру бактерий. Сейчас почти все исследования проводятся путем усреднения по масштабам, которые для этого организма являются фактически целыми вселенными, не так ли?

Обычно под малым масштабом представляют сантиметр, но в одном кубическом сантиметре почвы может содержаться от 10⁹ организмов и 10⁴ видов, верно? Поэтому нам действительно необходимо перейти на уровень кубического микрона, чтобы понять, как взаимодействуют эти клетки и какова их физиология в таких условиях.

Как они видят свой мир в этом контексте? Если бы я начинал свою постдокторантуру сегодня, я бы... я теперь серьезно. Я действительно считаю, что каждый раз, когда в мою лабораторию приходит новый постдок, я фактически создаю свою лабораторию заново.

И это сильно отличается от большинства лабораторий, верно? Так что, в некотором смысле, я получаю этот опыт каждый раз, когда сюда приходит новый постдок; да, существуют определенные традиции того, что я уже делал, но мне кажется, что я смотрю на мир свежим взглядом. Я думаю, что микробная экология — это именно та область, которой бы я занимался, но я бы делал это в контексте экспериментальной экологии, где я действительно могу манипулировать и контролировать популяции и виды, взаимодействие которых я изучаю, а не в смысле микробной экологии как простого наблюдения за тем, что существует в природе.

Я имею в виду, что это не та область, в которой, по моему мнению, людям обязательно нужно работать, и я не считаю, что это ответ на все вопросы. Нам действительно необходимо изучить механизм, механистическую основу взаимодействий между видами. И нужно сделать задачу достаточно простой, чтобы ее можно было решить.

На самом деле я убежден, что вся область экологии, а не только микробная экология, получит огромную пользу от экспериментальной экологии. Это станет возможным благодаря изучению бактериальных систем с видами, которыми можно управлять и в отношении которых можно обеспечить реальный контроль. Именно такой подход я бы выбрал сейчас.

Именно этим я и занимаюсь.