Königreichsübergreifende Anordnungen im menschlichen Speichel zeigen Oberflächenmobilität auf Gruppenebene und neu auftretende krankheitsfördernde Funktionen. Diese königreichsübergreifenden vielzelligen Ansammlungen waren resistenter gegen antimikrobielle Mittel und deren Entfernung und verursachten größere Zahnhöhlen als ihre Gegenstücke aus einer einzelnen Spezies, so eine Studie von Wissenschaftlern der University of Pennsylvania.
Bedeutung Pilze und Bakterien bilden vielzellige Biofilme, die viele Infektionen beim Menschen verursachen. Wie diese besonderen Mikroben räumlich und zeitlich zusammenarbeiten, um krankheitsfördernde Funktionen zu koordinieren, ist noch nicht erforscht. Mithilfe von Echtzeit-Multiskalenmikroskopie und Computeranalyse untersuchten wir die Dynamik von Pilz- und Bakterieninteraktionen im menschlichen Speichel und deren Biofilmentwicklung auf Zahnoberflächen. Wir entdecken strukturierte Ansammlungen in allen Bereichen, die neue Funktionen aufweisen, um die Kolonisierung, das Überleben und das kollektive Oberflächenwachstum zu verbessern. Weitere Analysen ergaben eine unerwartete Oberflächenmobilität auf Gruppenebene mit koordinierten „Sprung“- und „Geh“ -Bewegungen bei kontinuierlichem Wachstum. Diese beweglichen Ansammlungen wachsender Zellen begünstigen die schnelle räumliche Ausbreitung beider Arten über Oberflächen, was zu ausgedehnterer Zahnkaries führt. Unsere Ergebnisse zeigen vielzellige Zusammenschlüsse zwischen Königreichen, die als Supraorganismen mit Funktionalitäten fungieren, die ohne Zusammenschluss nicht erreicht werden können. |
Zusammenfassung
Pilze und Bakterien sind häufig an komplexen Wechselwirkungen beteiligt, beispielsweise an der Bildung mehrzelliger Biofilme im menschlichen Körper. Das Wissen darüber, wie Biofilme entstehen und zwischen Königreichen in höherstufigen Gemeinschaften zusammenwachsen und welche Funktionen verschiedene Arten während der Biofilmbildung erfüllen, ist nach wie vor begrenzt. Wir fanden natürliche Ansammlungen von Candida albicans (Pilze) und Streptococcus mutans (Bakterien) mit stark strukturierter Anordnung im Speichel von Patienten mit Karies im Kindesalter.
Weitere Analysen ergaben, dass die Bakteriengruppen in einem Netzwerk aus Pilzhefen, Hyphen und Exopolysacchariden verbunden sind, die sich als vormontierte Zellgruppe an Oberflächen binden. Königreichsübergreifende Ansammlungen weisen im Vergleich zu beiden Arten allein neue Funktionen auf, darunter eine erhöhte Wachstumsrate und Oberflächenbesiedlung, eine erhöhte antimikrobielle Toleranz und eine verbesserte Scherfestigkeit. Insbesondere fanden wir heraus, dass Ansammlungen zwischen Königreichen eine einzigartige Form der wandernden räumlichen Mobilität aufweisen, die eine schnelle Ausbreitung von Biofilmen über Oberflächen ermöglicht und zu verstärkter und ausgedehnterer Zahnkaries führt.
Mithilfe von Mutanten, selektiver Speziesinaktivierung und selektiver Matrixlöschung zeigen wir, dass eine erhöhte Stressresistenz und Oberflächenmobilität aus der exopolymeren Matrix resultieren und das Vorhandensein beider Spezies in der Anordnung erfordern. Die Beweglichkeit wird durch die Pilzfilamentierung gesteuert, wenn sich die Hyphen ausdehnen und die Oberfläche berühren, wodurch die Anordnung mit einer „Vorwärts-Hüpfbewegung“ angehoben wird .
Ansammlungen von Bakterienzellen können auf dieser mobilen Einheit „trampen“, während sie kontinuierlich wachsen, sich dreidimensional über die Oberfläche ausbreiten und mit anderen Ansammlungen verschmelzen, was die Ausbreitung der Gemeinschaft fördert. Zusammengenommen offenbaren unsere Ergebnisse eine königreichübergreifende Anordnung im menschlichen Speichel, die sich wie ein Supraorganismus verhält und krankheitsverursachende Funktionen aufweist, die ohne gemeinsame Anordnung nicht erreicht werden können.
Kommentare
Eine königreichsübergreifende Partnerschaft zwischen Bakterien und Pilzen könnte dazu führen, dass die beiden zusammenkommen und einen „Superorganismus“ mit ungewöhnlicher Stärke und Ausdauer bilden. Es mag nach Science-Fiction klingen, aber diese mikrobiellen Ansammlungen sind Teil des Hier und Jetzt.
Diese Ansammlungen, die im Speichel kleiner Kinder mit schwerer Karies im Kindesalter vorkommen, können die Zähne effektiv besiedeln. Laut dem Forschungsteam unter der Leitung von Wissenschaftlern der University of Pennsylvania School of Dental Medicine waren sie klebriger, resistenter gegen antimikrobielle Mittel und schwerer von den Zähnen zu entfernen als Bakterien oder Pilze allein.
Darüber hinaus sprießen den Baugruppen unerwartet „Gliedmaßen“, die sie zum „Gehen“ und „Springen“ veranlassen, um sich schnell auf der Zahnoberfläche auszubreiten, obwohl nicht jede Mikrobe einzeln mobil ist, berichtete das Team in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Akademie der Wissenschaften .
„Alles begann mit einer sehr einfachen, fast zufälligen Entdeckung bei der Untersuchung von Speichelproben von kleinen Kindern, die aggressive Karies entwickelten“, sagt Hyun (Michel) Koo, Professor an der Penn Dental Medicine und Mitautor der Arbeit. „Unter dem Mikroskop bemerkten wir, dass Bakterien und Pilze diese Ansammlungen bildeten und Bewegungen entwickelten, die wir nie für möglich gehalten hätten: eine Beweglichkeit, die dem Gehen und Springen ähnelt. Sie verfügen über viele der sogenannten „neuen Funktionen“, die diesem Stack neue Vorteile bringen, die sie alleine nicht erreichen könnten. „Es ist fast wie ein neuer Organismus, ein Superorganismus, mit neuen Funktionen.“
Königreichsübergreifende Anordnungen im menschlichen Speichel verhalten sich wie Supraorganismen mit neuen Funktionalitäten und krankheitsfördernder Aktivität. 1) C. albicans und S. mutans bilden im menschlichen Speichel strukturierte Zellcluster, die den nativen königreichsübergreifenden Aggregaten im intakten Speichel erkrankter Patienten auffallend ähnlich sind. 2) Bakterien und Pilze besiedeln gemeinsam die Oberfläche als strukturierte Zellgruppe mit höherer Bindungsaffinität. 3) Die Baugruppe weist eine größere Toleranz gegenüber Scherbeanspruchung und antimikrobiellen Wirkstoffen auf. 4) Ansammlungen verhalten sich als einzelne Einheiten, die schneller wachsen als Aggregate einer einzelnen Art, sich dreidimensional ausbreiten und miteinander verschmelzen, was zu einer hohen Oberflächenbedeckung führt. 5) Interkingdom-Anordnungen zeigen eine neuartige Art der Mobilität auf der Ebene der Migrationsgruppe mit Vorwärtsbewegungen und einem per Anhalter fahrenden Wachstumsmechanismus während der Biofilminitiierung, der es immobilen Bakterien ermöglicht, sich nach der Oberflächenbesiedlung zu verlagern, wodurch die räumliche Ausdehnung des Biofilms auf der Oberfläche gefördert wird. 6) Interkingdom-Ansammlungen verursachen umfangreiche und schwere Schäden an der Zahnschmelzoberfläche.
Besser (oder schlechter) zusammen
In der Vergangenheit konzentrierte sich Koos Labor auf Zahnbiofilm oder Plaque, der bei Kindern mit schweren Karies vorhanden ist, und stellte fest, dass sowohl Bakterien (Streptococcus mutans) als auch Pilze (Candida albicans) zur Krankheit beitragen. Karies, allgemein bekannt als Karies, entsteht, wenn der Zucker in der Nahrung übrig bleibt, um Bakterien und Pilze im Mund zu ernähren, was zu säureproduzierendem Zahnbelag führt, der den Zahnschmelz zerstört.
Die neuen Entdeckungen kamen, als Zhi Ren, ein Postdoktorand in Koos Gruppe, Mikroskopie einsetzte, die es Wissenschaftlern ermöglicht, das Verhalten lebender Mikroben in Echtzeit zu visualisieren. Die Technik „eröffnet neue Möglichkeiten zur Untersuchung der Dynamik komplexer biologischer Prozesse“, sagt Ren, Erstautor der Arbeit und Teil der ersten Kohorte des NIDCR T90R90-Postdoktorandenausbildungsprogramms am Penn’s Center for Innovation and Precision Dentistry.
Nachdem Ren, Koo und ihre Kollegen die in Speichelproben vorhandenen Bakterien- und Pilzklumpen gesehen hatten, waren sie neugierig, wie sich die Klumpen verhalten würden, wenn sie einmal an der Zahnoberfläche hafteten. So begann eine Reihe von Experimenten mit Live-Mikroskopie in Echtzeit, um den Prozess der Bindung und des eventuellen Wachstums zu beobachten.
Sie schufen ein Laborsystem, um die Bildung dieser Anordnungen nachzubilden, indem sie Bakterien, Pilze und ein zahnähnliches Material verwendeten, die alle in menschlichem Speichel inkubiert wurden. Die Plattform ermöglichte es den Forschern, zu beobachten, wie Gruppen zusammenkamen, und die Struktur der resultierenden Zusammenstellungen zu analysieren. Sie fanden eine hochorganisierte Struktur mit Bakteriengruppen, die in einem komplexen Netzwerk aus Pilzhefe und filamentartigen Vorsprüngen, sogenannten Hyphen, miteinander verbunden sind und alle in einem extrazellulären Polymer, einem leimähnlichen Material, verwickelt sind.
Das Team testete dann die Eigenschaften dieser Cross-Kingdom-Anordnungen, sobald sie die Zahnoberfläche besiedelten, und fand „überraschende Verhaltensweisen und neue Eigenschaften“, sagt Ren, „einschließlich einer besseren Haftung an der Oberfläche, die sie sehr klebrig macht, und einer größeren mechanischen Toleranz.“ und antimikrobiell. was es schwierig macht, sie zu beseitigen oder zu töten.“
Das vielleicht faszinierendste Merkmal der Ansammlungen war nach Ansicht der Forscher ihre Mobilität. „Sie zeigten ‚Sprung‘- und ‚Geh‘-Bewegungen, während sie kontinuierlich wuchsen“, sagt Ren.
Während sich einige Bakterien mithilfe von Anhängseln wie Flagellen fortbewegen können, sind die Mikrobenarten in der aktuellen Studie nicht beweglich. Und im Gegensatz zu jeder bekannten mikrobiellen Beweglichkeit nutzten die Ansammlungen Pilzhyphen, um sich an der Oberfläche zu verankern und dann den gesamten Superorganismus voranzutreiben, wobei sie die anhaftenden Bakterien über die Oberfläche transportierten, sagt Koo, „wie Bakterien, die per Anhalter auf Pilzen unterwegs sind“. ".
Die mikrobiellen Cluster bewegten sich schnell und weit, fanden die Forscher heraus. Auf der zahnähnlichen Oberfläche maß das Team Geschwindigkeiten von mehr als 40 Mikrometern pro Stunde, ähnlich der Geschwindigkeit von Fibroblasten, einer Zellart im menschlichen Körper, die an der Wundheilung beteiligt ist. In den ersten Stunden des Wachstums beobachteten die Wissenschaftler, wie die Anordnungen mehr als 100 Mikrometer auf der Oberfläche „hüpften“. „Das ist mehr als das 200-fache ihrer eigenen Körperlänge“, sagt Ren, „womit sie im Verhältnis zur Körpergröße sogar besser sind als die meisten Wirbeltiere. Beispielsweise können Laubfrösche und Heuschrecken nach vorne springen. etwa das 50- und 20-fache ihrer Körperlänge jeweils ihren eigenen Körper.“
Obwohl die genauen Mechanismen unbekannt sind, hat die Fähigkeit von Ansammlungen, sich „bewegen, während sie wachsen“, laut den Forschern eine klare Konsequenz: Sie ermöglicht es ihnen, sich schnell anzusiedeln und sich auf neuen Oberflächen auszubreiten. Als das Forscherteam die Anordnungen in einem Labormodell an echten menschlichen Zähnen anhaften und wachsen ließ, stellten sie fest, dass die Karies aufgrund eines sich schnell ausbreitenden Biofilms stärker ausgeprägt war.
Behandlung von Krankheiten und Biologie im Allgemeinen.
Da diese Baugruppen im Speichel vorkommen, könnte eine frühzeitige gezielte Behandlung eine therapeutische Strategie sein, um Karies im Kindesalter vorzubeugen, sagt Koo. „Wenn Sie diese Bindung blockieren oder die Baugruppe zerstören, bevor sie den Zahn erreicht und Schäden verursacht, könnte das eine vorbeugende Strategie sein.“
Und über Anwendungen zur Behandlung dieser spezifischen Krankheit hinaus könnten die neuen Erkenntnisse laut den Forschern auch auf die mikrobielle Biologie im Allgemeinen anwendbar sein. Beispielsweise können aggregierte Organismen, die in anderen biologischen Flüssigkeiten oder aquatischen Ökosystemen vorkommen, in ähnlicher Weise die Besiedlung und das Wachstum an der Oberfläche verstärken und so Infektionskrankheiten oder Umweltverschmutzung verursachen.
„Wir sahen, wie diese beiden unterschiedlichen Organismen zu einer neuen organischen Einheit zusammenkamen, die jedem zusätzliche Vorteile und Funktionen verlieh, die die einzelnen Zellen für sich genommen nicht hatten“, sagt Koo. Die Ergebnisse könnten sogar Aufschluss über die Entwicklung von Mutualismus und Mehrzelligkeit geben, die das Überleben und Wachstum einzelner Organismen verbessern, wenn sie zusammenkommen und in einer bestimmten Umgebung als Einheit zusammenarbeiten, stellt das Team fest.
„Diese Entdeckung eines Superorganismus ist wirklich innovativ und unerwartet“, sagt Knut Drescher von der Universität Basel, Co-Autor der Arbeit. „Niemand hätte das vorhergesehen. Zhi ist versehentlich darauf gestoßen, obwohl er unvoreingenommen war.“
