Mikrobiyal Toplulukları Biyoloji - Röportaj

Ben Roberto Coulter. Harvard Tıp Fakültesi'nde mikrobiyoloji ve moleküler genetik profesörüyüm ve 1983'ten beri buradayım. Hepsi doktora sonrası araştırmacı olan ve mikrobiyal dünyanın birçok alanıyla ilgilenen yaklaşık 10 kişilik bir laboratuvarı yönetiyorum.

Bu yüzden, özellikle sormak isteyeceğiniz bazı sorular olabileceği için buna değinerek başlamak isterim; laboratuvarım, yürütülen çalışmaların türü bakımından biraz eklektiktir. Bazı laboratuvarlar belirli alanlara çok odaklanmış durumdadır. Benim laboratuvarımı tanımlayacak olursam; buradaki her doktora sonrası araştırmacı belirli bir alana odaklanmıştır, ancak araştırmacıların çalışma alanları arasında neredeyse hiç örtüşme yoktur.

Bu nedenle, laboratuvarımın ne olduğu ve neler yaptığım konusunda size bilgi vermek benim için biraz zor olabilir; çünkü bu sadece birçok alanı kapsayan bir çalışma değil, aynı zamanda beş yıl öncesinden çok daha farklı olan bir süreçtir. 10 yıl önce, ağırlıklı olarak durağan faz fizyolojisi olarak bilinen konu üzerinde çalışıyorduk. Bu, aktif olarak büyüme göstermeyen hücrelerde neler olup bittiği ile ilgilidir.

O dönemde, bu soruları sormaya başladığımız yaklaşık 10 yıl öncesinin bir birleşimi söz konusuydu. O zamana kadar alan, yani genel olarak mikrobiyal fizyologlar, büyümeyen bakterileri incelemeleri gerektiği fikrine alışmışlardı; bu yüzden o dönemde bu yaklaşımı bir dereceye kadar bırakmaya ve sadece büyüyen veya büyümeyen bakterilere değil, yüzeylerde büyüyen ya da en azından yaşamını yüzeyler aracılığıyla sürdüren bakterilere yönelmeye karar verdim. Bu, biyofilmler kavramıydı ve doksanlı yılların ortalarında mühendisler, tüplerdeki akış sorunları vb. nedenlerle bu konuyla ilgileniyorlardı.

Ancak mikrobiyal fizyologlar ve genetikçiler buna pek dikkat etmemişlerdi. Bu nedenle, model sistemlerde yüzeylere tutunamayan mutantlar oluşturmaya başladık. Ve şimdi, 10 yıl sonra, neler olduğunu özetleyebilir miyim?

Şu an için, yaptığımız çalışmaların büyük ölçüde spor oluşturan ve böylece hücrelerin bir yüzey üzerinde alan şeklinde konumlandığı bağlamda çok spesifik diferansiyasyon yollarını incelememize olanak tanıyan, özellikle harika bir model organizma olan basc settles üzerine odaklandığını düşünüyorum. Sanırım son 10 yılda gözlemlenen şey, süspansiyondaki hücreler üzerinde çalışan kişilerin, artık bu hücrelerin yüzeylerde konumlandıklarında neler yaptıklarına yöneldikleri yönünde büyük bir göç yaşanmış olmasıdır. Bu nedenle, biyofilmlere yönelik mühendislik merkezli bakış açısının, artık mikrobiyolojide genetik, moleküler biyoloji ve benzeri alanlarda çalışan pek çok farklı kişinin ilgisini çektiğini düşünüyorum.

Peki, bu mikrobiyoloji açısından ne anlama gelmiş oldu? Hücrelerin süspansiyon halindeyken olduğundan çok farklı olarak, bir yüzey üzerindeki varlıklarının nasıl farklı olduğunun fark edilmesinin yarattığı büyük heyecan dışında, bunun çok büyük bir fark yarattığından pek emin değilim. Bir topluluk oluştururken, hücrelerin birbirleriyle iletişim kurmasını gerektiren veya bununla ilişkili olan bir organizasyon seviyesi olduğunu keşfediyoruz.

Yani, bir süspansiyon içinde bakteriyel fizyolojiyi incelediğinizde, çevresi değiştiği için bir hücrenin nasıl değiştiğini görebilirsiniz. Bu hücrenin, oradaki diğer hücrelerle herhangi bir şekilde kimyasal veya fiziksel temas kurmasına gerek yoktur. Sadece tüm popülasyonda gördüğünüzden yola çıkarak, tek bir hücrede neler olduğununa dair bir çıkarım yapmak için popülasyon genelinde ortalama alırsınız.

Söz konusu popülasyonu çalkaladığınızda ve hücrelerin tamamı bir sıvının içinde yüzdüğünde, diğer hücrelerin orada olmasının aslında bir önemi yoktur. Bu durum, ortalamaları hesapladığı için araştırmacı için önemlidir, ancak hücre için gerçekten bir fark yaratmaz. Hücrenin fizyolojisi, diğer hücrelere nasıl tepki verdiğinden ziyade, çevreye nasıl tepki verdiğiyle tanımlanır.

Hücreler yerleştikten ve bir hızlandırıcı matris oluşturmaya başlayıp bu topluluk içinde farklı hücre tiplerine ayrışmaya başladıklarında, aslında birbirleriyle iletişim kurmaya başlıyorlar. Böylece, yüzeye ilişkili toplulukların incelenmesi aracılığıyla hücreler arası iletişimin tüm alanı açılmış oluyor. Biofilm alanındaki güncel zorlukların, en azından benim laboratuvarımda yürüttüğümüz çalışmalar açısından, bireysel bir hücrenin soy ağacını takip edebilme ve kaderinin ne olacağını belirleme fikrinin hâlâ yeni geliştirmeye başladığımız teknikleri gerektirdiğini düşünüyorum.

Şunu merak ediyorum, binlerce diğer hücrenin bulunduğu bir ortamda tek bir hücrenin fizyolojik durumunu gerçekte nasıl değerlendirirsiniz? Teknik olarak bu oldukça zordur. Reporter genlerimiz ve bunu gerçekleştirme yöntemlerimiz var; ancak hücreyi rahatsız etmeden, fizyolojik olarak neler olup bittiğini değerlendirebilmek, özellikle de dahil olduğum ve hücreler arası iletişimi kapsayan diğer alanlarda hâlâ büyük bir zorluk teşkil etmektedir.

Büyük bir zorluk şudur; biliyorsunuz, son yıllarda mikrobiyolojide fark ettiğimiz şeylerden biri, dışarıda olağanüstü bir çeşitliliğin olduğudur ve eğer mikrobiyal dünya hakkında, onun gerçek durumuyla ilgili size çok şey anlatan, çok geniş bir ağ atmak istiyorsanız, dışarıda bu kadar çok sinyalken, makul ölçüde kapsamlı bir ağı nasıl atabilirsiniz? Bu nedenle, kavramsal olarak karşılaşılan devasa zorluk şudur: Bakterileri gözlemlediğimiz bu tamamen yapay laboratuvar düzenekleriyle yaptığımız çalışmalar, onların gerçek dünyada yaptıklarının herhangi bir yansımasını gerçekten sunuyor mu?

Yani, bu durum ya birbirlerine gönderdikleri moleküller düzeyinde ya da oluşturdukları yapılar düzeyinde tamamen yapay bir durum mu? Dolayısıyla, bu topluluklar hakkında yaptığımız anatomik tanımlamalar, bu organizmaların gerçek dünyada gerçekten yaptıkları şeyler için geçerli midir? Bunu bilmiyoruz çünkü insanlar nadiren gerçek dünyaya çıkıp bakterilerin orada, laboratuvarda gözlemleyebildiğimiz düzeyde neler yaptığını gözlemleyebildiler ve oraya gittiğimizde onları gözlemleyebiliyoruz ancak bu tamamen farklı bir gözlem yöntemidir.

Evet, çok fazla kehanette bulunmamaya, yani yaptığımız çalışmaların gerçek dünyayla aslında ne alakası olacağı konusunda çok ileri gitmemeye çalışıyorum çünkü doğrudan bir bağlantı olduğu konusunda ikna olmuş değilim. Ancak insanların genel olarak iki alan hakkında ne algıladığını size anlatayım. Alanlardan biri biyofilmler, diğeri ise hücreler arası iletişimdir.

Dolayısıyla, günümüzde karşılaşılan ve bakterilerin dahil olduğu birçok enfeksiyonun, konvansiyonel tedavilerle iyileştirilmesinin oldukça zor olduğu iyi bilinmektedir. Bu durum, bakterilerin tamamen genetik olarak dirençli olmasından kaynaklanan koşullar değil, aslında bu bakterilerin biyofilmler yani yüzeye ilişkili topluluklar içindeyken fizyolojik olarak antibiyotik tedavisine karşı dirençli veya toleranslı hale gelmeleridir. Örneğin, enfekte olan bir kateter gibi vücut içi bir cihazınız olabilir ve bu gerçekleştiğinde, kateter üzerinde yer alan bakteriler bilinen tedavilere karşı oldukça dirençli olduklarından, bu enfeksiyonu ortadan kaldırmak çok zordur.

Bu nedenle, insanların umut ettiği şeylerden biri, biyofilmin içindeki hücrelerin durumunun daha iyi anlaşılmasıyla, geleneksel stratejilerin yok edemediği bu bakterilerle başa çıkmak için yeni stratejilerin geliştirilmesinin kolaylaşacağıdır. Bu bir olasılıktır. Ayrıca, bakterilerin bu biyofilmlerde nasıl davrandıklarını öğrenirsek, gelecekte bizim için daha faydalı maddeler üretmelerini sağlayabileceğimiz argümanını da sunabilirsiniz.

Biyoproses kavramının tamamı, dolayısıyla bu durum tıbbın da ötesine geçer. Bakterilerden yararlanan birçok endüstride, onların biyofilmler halinde maddeleri nasıl daha iyi üreteceğini bilseydik, daha etkili, daha verimli vb. olabileceklerini hayal edebilirsiniz. Yüzeylerin bakterilerle kaplanması fikri aslında oldukça ilginçtir; gezegendeki neredeyse her yüzeyi kaplarlar.

Böylece, nakliye hatlarıyla uğraşan kişiler bile, gemilerinin daha verimli çalışabilmesi için gemilerindeki biyofilmleri nasıl kontrol altında tutabilecekleri üzerine düşünebilirler. Dolayısıyla, bakterilerin yüzeylerle nasıl etkileşime girdiğine dair doğal ortamın anlaşılmasının hemen hemen her yerde büyük bir etkisi olduğunu hayal edebilirsiniz. Ancak yaptığımız çalışmaların nihayetinde iyileştirmelere yol açacağını düşünmeye çalışmıyorum çünkü bunun kendiliğinden gerçekleşmesine izin veriyorum.

Size bahsetmek istediğim diğer alan ise hücreler arası iletişimdi. Ve bu oldukça ilginç bir konu çünkü antibiyotikler dediğimiz maddelere sahibiz ve işin özü, size daha önce söylediğim gibi, laboratuvarda ve tıpta bu bileşiklerin ne olduğunu biliyoruz. Bunlara antibiyotikler deniyor, değil mi?

Yani bunun nedeni bakterileri öldürmeleridir. Aslında bunlar bakteriler tarafından üretilir. Çoğu antibiyotik bakteriler tarafından üretilmektedir.

Ve işin komik yanı, bir bilim insanı topluluğu olarak bu bileşiklerin doğada ne yaptıkları konusunda gerçekten hiçbir fikrimizin olmamasıdır. Evet. Bu bileşikleri üreten bakterilerin, bunları antibiyotik olarak kullanmak istedikleri için ürettiklerine dair elimizde hiçbir doğrudan kanıt yok, değil mi? Bu nedenle, aslında bunların birbirlerini öldürmek için değil, sinyal vermek amacıyla sinyal molekülleri olarak görev yaptıklarına dair pek çok belirti var.

Bunun güzel yanı, durumu tersine çevirebilmeniz ve şöyle diyebilmenizdir: Belki yeni sinyal molekülleri keşfedersek, bunlar aslında faydalı antibiyotikler olabilir. Dolayısıyla, translasyonel araştırmanın bir olasılığı şunlar olabilir: Tamam, yeni sinyal bileşikleri keşfedin ve ya sinyalleri bloke ederek yeni tedaviler geliştirip geliştiremeyeceğinize bakın ya da sinyal molekülü olarak keşfettiğiniz moleküllerden bazılarının nihayetinde faydalı bir terapötik ajana dönüşüp dönüşmeyeceğini görün. Evet, bu her zaman zordur.

Yani, beş yıl sonra neler yapıyor olabileceğimi size söyleyebilirim. Bunun mutlaka en önemli şey olduğundan emin değilim. Gelecekteki beş yılı asla tahmin edemezsiniz diye düşünüyorum.

Ancak, daha önce söylediğim bir noktaya geri döneceğim. Mikrobiyal ekoloji açısından düşündüğümde, bu durum karmaşık topluluklar oluşturmayı ve türler arası etkileşimleri incelemeyi içeriyor. Artık tek hücre seviyesinde çok daha iyi kontrol mekanizmalarına sahip olabileceğimiz fikrini gerçekten değerlendirmemiz gerektiğine inanıyorum.

Yani, eğer yapabiliyorsak, bence yönelmemiz gereken nokta mikrobiyal ekolojiyi keşfetmektir; ancak bunu, yani okyanuslara ve ormanlara gidip son 20 yıldır insanların yaptığı ve oldukça faydalı olan o "pul koleksiyonculuğu" tarzındaki çalışmaları yaparak değil, farklı bir şekilde yapmalıyız. Aslında bu sayısız türün ne olduğunu, birbirleriyle nasıl etkileşime girdiklerini ve bu etkileşimlerin, şimdiye kadar incelediğimiz devasa popülasyon boyutları ölçeğinde değil, tek bir hücre düzeyindeki gerçek ve ilgili popülasyon boyutlarında nasıl gerçekleştiğini görmeye başlamamız gerekiyor. Bu nedenle, birbirleriyle nasıl etkileşim kurduklarını görmek için küçük sayıların mikroskobik analizine geri dönmemiz gerektiğini düşünüyorum.

Bu nedenle, bunu ne kadar çok yaparsak, gerçek etkileşimler hakkında o kadar çok şey öğreneceğimizi ve ardından bunu okyanuslarda gerçekleşen topluluklara vb. uyarlayabileceğimizi düşünüyorum. Ancak, oraya geri dönüp bakterilerin boyutuna uygun ölçeklere bakmamız gerektiğini düşünüyorum. Şu anda yapılan hemen hemen her şey, bu organizma için aslında koca birer evren olan ölçeklerin ortalaması alınarak gerçekleştiriliyor, değil mi?

İnsanlar küçük ölçek denince akıllarına santimetreyi getiriyor, ancak bir santimetrede, yani bir santimetreküpte, toprakta 10⁹ organizma ve 10⁴ tür bulunabilir, değil mi? Bu yüzden, gerçekten oraya girip mikronküp ölçeklerine bakmamız ve bu hücrelerin nasıl etkileşime girdiğini, oradaki fizyolojilerinin nasıl olduğunu görmemiz gerekiyor.

O bağlamda dünyalarını nasıl görüyorlar? Eğer doktora sonrası araştırmalarıma bugün başlıyor olsaydım, ben de, ben de, şimdi ciddiyim. Laboratuvarıma her yeni doktora sonrası araştırmacı geldiğinde, laboratuvarımı yeniden kurduğumu düşünüyorum.

Bu çoğu laboratuvardan çok farklı, değil mi? Yani bir anlamda, buraya her yeni doktora sonrası araştırmacı geldiğinde bu deneyimi yaşıyorum; evet, yaptıklarımın getirdiği bazı gelenekler var ancak dünyayı taze bir bakış açısıyla gördüğümü düşünüyorum. Mikrobiyal ekolojinin, bunu yapacağım alan olduğunu düşünüyorum; fakat bunu, sadece dışarıda neler olduğunu gözlemlemek anlamındaki mikrobiyal ekoloji şeklinde değil, etkileşimini incelediğim popülasyonları ve türleri gerçekten manipüle edebildiğim ve kontrol edebildiğim deneysel ekoloji bağlamında yapardım.

Yani, insanların bunu yapmasının önemli olduğu bir alan olduğunu düşünmüyorum, ancak tüm soruların cevabının bu olduğunu da sanmıyorum. Türler arasındaki etkileşimlerin mekanizmasına, mekanistik temeline gerçekten bakmamız gerekiyor. Ve bunu, ele alabileceğiniz kadar basit hale getirmelisiniz.

Aslında, sadece mikrobiyal ekolojinin değil, tüm ekoloji alanının deneysel ekolojiden büyük fayda sağlayacağına inanıyorum. Bu, yönetilebilir türlerin bulunduğu ve süreçleri gerçekten kontrol edebildiğiniz bakteriyel sistemleri incelemekle mümkün olacaktır. Bu nedenle, şu an yapmayı tercih edeceğim şey budur.

Yaptığım şey budur.