Микробы, вызывающие кариес, могут образовывать «суперорганизмы», способные «ползать» и распространяться по зубам

Симбиоз бактерий и грибов может привести к их объединению в «суперорганизм» с необычной силой и устойчивостью. Эти микробные скопления были обнаружены в слюне детей с тяжелым кариесом.

По данным исследователей из Школы стоматологической медицины Пенсильванского университета, эти скопления эффективно колонизируют зубы. Они были более липкими, более устойчивыми к противомикробным средствам и их было труднее удалить с зубов, чем бактерии или грибы по отдельности.

Кроме того, как сообщила команда в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, скопления неожиданно отращивают «конечности», которые позволяют им «ходить» и «прыгать» для быстрого распространения по поверхности зуба, несмотря на то, что каждый микроб по отдельности не подвижен.

«Мы заметили, что бактерии и грибы образуют эти скопления и демонстрируют движения, которые, как мы думали, им не свойственны: «похожую на ходьбу» и «похожую на прыжки» подвижность», — говорит Хён (Майкл) Ку, соавтор исследования. — У них много так называемых «эмерджентных функций», которые приносят новую пользу этому скоплению, недостижимую по отдельности. Это почти как новый организм — суперорганизм — с новыми функциями».

Лучше (или хуже) вместе

В новом исследовании использовалась микроскопия в реальном времени для наблюдения за поведением живых микробов. Ученые создали лабораторную систему, воссоздающую формирование этих скоплений, используя бактерии (Streptococcus mutans), грибы (Candida albicans) и материал, похожий на зуб, в инкубации с человеческой слюной.

Они обнаружили высокоорганизованную структуру: кластеры бактерий, прикрепленные к сложной сети дрожжевых грибов и нитевидных выростов, называемых гифами, все переплетенные во внеклеточном полимере, похожем на клей.

Свойства этих скоплений после колонизации поверхности зуба показали «неожиданное поведение и эмерджентные свойства», включая усиленное поверхностное сцепление (они стали очень липкими) и повышенную механическую и противомикробную устойчивость (их стало трудно удалить или убить).

Неожиданная подвижность

Наиболее интригующей характеристикой скоплений оказалась их подвижность. «Они демонстрировали «прыгающие» и «шагающие» движения в процессе непрерывного роста», — отмечают исследователи.

Оба вида микробов по отдельности неподвижны. Однако скопления использовали грибковые гифы, чтобы закрепиться на поверхности и продвинуть весь суперорганизм вперед, перенося прикрепленные бактерии. «Как будто бактерии путешествуют автостопом на грибах».

Скорость перемещения составила более 40 микрон в час. В первые часы роста скопления «перепрыгивали» более чем на 100 микрон по поверхности. «Это более чем в 200 раз превышает длину их собственного тела», — говорит первый автор работы Чжи Рен. — Для сравнения, лягушки и кузнечики могут прыгнуть вперед примерно в 50 и 20 раз больше длины своего тела соответственно».

Способность «двигаться по мере роста» позволяет скоплениям быстро колонизировать и распространяться на новые поверхности. В лабораторной модели на реальных человеческих зубах это приводило к более обширному кариесу из-за быстро распространяющейся биопленки.

Значение для лечения и биологии

Поскольку эти скопления обнаружены в слюне, их раннее устранение может стать терапевтической стратегией для предотвращения детского кариеса. «Если заблокировать это связывание или разрушить скопление до того, как оно попадет на зуб и нанесет ущерб, это может быть профилактической стратегией», — говорит Ку.

Полученные данные также могут иметь значение для микробной биологии в целом. Например, подобные агрегированные организмы в других биологических жидкостях или водных экосистемах могут аналогичным образом усиливать колонизацию поверхности и рост, вызывая инфекционные заболевания или загрязнение окружающей среды.

«Это открытие «плохого парня»-суперорганизма действительно является новаторским и неожиданным, — говорит соавтор Кнут Дрешер из Базельского университета. — Никто бы этого не предсказал».