Mikrober, der forårsager huller, kan danne superorganismer, der kan kravle og spredes på tænderne

Partnerskab på tværs af riget mellem bakterier og svampe kan resultere i, at de to går sammen og danner en "superorganisme" med usædvanlig styrke og modstandsdygtighed. Det lyder måske som science fiction, men disse mikrobielle grupperinger er i høj grad en del af her og nu.

Fundet i spyttet hos småbørn med alvorligt karies i barndommen, kan disse samlinger effektivt kolonisere tænder. De var mere klæbrige, mere modstandsdygtige over for antimikrobielle stoffer og sværere at fjerne fra tænderne end enten bakterierne eller svampene alene, ifølge forskerholdet, ledet af University of Pennsylvania School of Dental Medicine-forskere.

Desuden spirer samlingerne uventet "lemmer", der får dem til at "gå" og "springe" for hurtigt at sprede sig på tandoverfladen, på trods af at hver mikrobe for sig selv er ikke-bevægelig, rapporterede holdet i journalen Proceedings af National Academy of Sciences .

"Dette startede med en meget enkel, næsten tilfældig opdagelse, mens man så på spytprøver fra småbørn, der udvikler aggressivt huller i tænderne," siger Hyun (Michel) Koo, professor ved Penn Dental Medicine og en med-korresponderende forfatter på papiret. "Når vi kiggede under mikroskopet, lagde vi mærke til de bakterier og svampe, der danner disse samlinger og udvikler bevægelser, som vi aldrig troede, de ville have:en 'gå-lignende' og 'springlignende' mobilitet. De har mange af, hvad vi kalder 'emergent-funktioner'. ', der bringer nye fordele til denne samling, som de ikke kunne opnå på egen hånd. Det er næsten som en ny organisme - en superorganisme - med nye funktioner."

Bedre (eller værre) sammen

Tidligere har Koos laboratorium fokuseret på den dentale biofilm eller plak, der findes hos børn med alvorligt huller i tænderne, og opdaget, at både bakterier - Streptococcus mutans - og svampe - Candida albicans - bidrager til sygdommen. Caries, almindeligvis kendt som hulrum, opstår, når sukkerarter i kosten bliver hængende for at fodre bakterier og svampe i munden, hvilket fører til syreproducerende tandplak, der ødelægger emaljen.

Det nye sæt af opdagelser opstod, da Zhi Ren, en postdoktor i Koos gruppe, brugte mikroskopi, der gør det muligt for forskere at visualisere adfærden af ​​levende mikrober i realtid. Teknikken "åbner nye muligheder for at undersøge dynamikken i komplekse biologiske processer," siger Ren, en førsteforfatter på papiret og en del af den første kohorte af NIDCR T90R90 postdoktorale uddannelsesprogram inden for Penn's Center for Innovation &Precision Dentistry.

Efter at have set bakterie-svampe-klyngerne i spytprøverne, var Ren, Koo og kolleger nysgerrige på, hvordan grupperingerne kunne opføre sig, når de først var fastgjort til overfladen af ​​en tand. Således startede en række eksperimenter med realtids mikroskopi til at observere processen med tilknytning og eventuel vækst.

De skabte et laboratoriesystem til at genskabe dannelsen af ​​disse samlinger ved hjælp af bakterier, svampe og et tandlignende materiale, alt sammen inkuberet i menneskespyt. Platformen gjorde det muligt for forskerne at se grupperingerne samles og analysere strukturen af ​​de resulterende samlinger. De fandt en meget organiseret struktur med bakterieklynger fastgjort i et komplekst netværk af svampegær og filamentlignende fremspring kaldet hyfer, alle indviklet i en ekstracellulær polymer, et limlignende materiale.

Derefter testede holdet egenskaberne af disse samlinger på tværs af kongeriget, når de havde koloniseret tandoverfladen og fandt "overraskende adfærd og nye egenskaber," siger Ren, "inklusive forbedret overfladeadhæsion, hvilket gør dem meget klæbrige og øget mekanisk og antimikrobiel tolerance, gør dem svære at fjerne eller dræbe."

Måske den mest spændende egenskab ved samlingerne, siger forskerne, var deres mobilitet. "De viste 'spring-lignende' og 'gå-lignende' bevægelser, mens de hele tiden voksede," siger Ren.

Mens nogle bakterier kan drive sig selv ved hjælp af vedhæng som flageller, er de mikrobielle arter i den aktuelle undersøgelse begge ikke-bevægelige. Og til forskel fra enhver kendt mikrobiel motilitet brugte samlingerne svampehyfer til at forankre på overfladen og derefter drive hele superorganismen fremad og transportere de vedhæftede bakterier hen over overfladen, siger Koo, "som bakterier, der blaffer på svampene."

De mikrobielle grupperinger bevægede sig hurtigt og langt, fandt forskerne. På den tandlignende overflade målte holdet hastigheder på mere end 40 mikrometer i timen, svarende til hastigheden af ​​fibroblaster, en type celle i den menneskelige krop, der er involveret i sårheling. Inden for de første timer efter vækst observerede forskerne samlingerne "springe" mere end 100 mikron hen over overfladen. "Det er mere end 200 gange deres egen kropslængde," siger Ren, "gør dem endnu bedre end de fleste hvirveldyr i forhold til kropsstørrelse. For eksempel kan løvfrøer og græshopper springe frem omkring 50 gange og 20 gange deres egen kropslængde , henholdsvis."

Selvom de nøjagtige mekanismer er ukendte, har samlingernes evne til at "bevæge sig, mens de vokser," siger forskerne, én klar konsekvens:Det gør dem i stand til hurtigt at kolonisere og sprede sig til nye overflader. Da forskerholdet tillod samlingerne at fæstne sig til og vokse på rigtige mennesketænder i en laboratoriemodel, fandt de mere omfattende huller i tænderne som følge af en hurtigt spredte biofilm.

Sygdomsbehandling og biologi som helhed

Fordi disse samlinger findes i spyt, kunne målretning mod dem tidligt være en terapeutisk strategi til at forhindre karies i barndommen, siger Koo. "Hvis du blokerer denne binding eller forstyrrer samlingen, før den kommer på tanden og forårsager skade, kan det være en forebyggende strategi."

Og ud over applikationerne til behandling af denne specifikke sygdom, siger forskerne, kan de nye resultater være anvendelige i mikrobiel biologi generelt. For eksempel kan aggregerede organismer, der findes i andre biologiske væsker eller akvatiske økosystemer, på lignende måde øge overfladekolonisering og vækst for at forårsage infektionssygdomme eller miljøforurening.

"Vi så, at disse to forskellige organismer samles som en ny organisme, der gav hver enkelt yderligere fordele og funktioner, som enkeltceller ikke havde alene," siger Koo. Resultaterne kunne endda kaste lys over udviklingen af ​​gensidighed og multicellularitet, der forbedrer overlevelsen og væksten af ​​enkelte organismer, når de forenes og arbejder sammen som en enhed i et givet miljø, bemærker holdet.

"Denne opdagelse af en 'bad guy'-superorganisme er virkelig banebrydende og uventet," siger Knut Drescher fra University of Basel, en medkorresponderende forfatter på papiret. "Ingen ville have forudset dette. Zhi faldt ved et uheld over dette ved at holde et åbent sind." + Udforsk yderligere

Tandlægeforskningsteam beviser, at biofilmmetoden kan bruges til billigt at teste nye behandlinger for karies