Les assemblées inter-royaumes dans la salive humaine montrent une mobilité de surface au niveau du groupe et des fonctions émergentes favorisant la maladie. Ces assemblages multicellulaires inter-royaumes étaient plus résistants aux antimicrobiens et à leur élimination, et provoquaient des caries dentaires plus étendues que leurs homologues monospécifiques, selon une recherche menée par des scientifiques de l’Université de Pennsylvanie.
Signification Les champignons et les bactéries forment des biofilms multicellulaires responsables de nombreuses infections humaines. La manière dont ces microbes distinctifs agissent ensemble dans l’espace et dans le temps pour coordonner les fonctionnalités favorisant la maladie n’a pas encore été étudiée. À l’aide de la microscopie multi-échelle en temps réel et de l’analyse informatique, nous avons étudié la dynamique des interactions fongiques et bactériennes dans la salive humaine et le développement de leur biofilm sur les surfaces dentaires. Nous découvrons des assemblages structurés à travers les royaumes qui présentent des fonctionnalités émergentes pour améliorer la colonisation, la survie et la croissance collective de la surface. Une analyse plus approfondie a révélé une mobilité de surface inattendue au niveau du groupe avec des mouvements coordonnés de « saut » et de « marche » tout en augmentant continuellement. Ces amas mobiles de cellules en croissance favorisent une propagation spatiale rapide des deux espèces sur les surfaces, conduisant à des caries dentaires plus étendues. Nos résultats montrent des assemblages multicellulaires entre des règnes qui agissent comme des supra-organismes avec des fonctionnalités qui ne peuvent être obtenues sans co-assemblage. |
Résumé
Les champignons et les bactéries participent souvent à des interactions complexes, telles que la formation de biofilms multicellulaires au sein du corps humain. Les connaissances sur la manière dont les biofilms s’initient et se fusionnent entre les règnes des communautés de niveau supérieur et sur les fonctions exercées par différentes espèces au cours de la formation du biofilm restent limitées. Nous avons trouvé des assemblages d’états natifs de Candida albicans (champignons) et de Streptococcus mutans (bactéries) présentant une disposition hautement structurée dans la salive de patients atteints de caries infantiles.
Une analyse plus approfondie a révélé que les groupes bactériens sont liés au sein d’un réseau de levures fongiques, d’hyphes et d’exopolysaccharides, qui se lient aux surfaces comme un groupe cellulaire pré-assemblé. Les assemblages inter-royaumes présentent des fonctions émergentes, notamment un taux de croissance et une colonisation de surface accrus, une tolérance antimicrobienne accrue et une résistance au cisaillement améliorée, par rapport à l’une ou l’autre espèce seule. En particulier, nous avons constaté que les assemblages inter-royaumes présentent une forme unique de mobilité spatiale migratoire qui permet une propagation rapide des biofilms sur les surfaces et conduit à des caries dentaires améliorées et plus étendues.
En utilisant des mutants, l’inactivation sélective d’espèces et la suppression sélective de la matrice, nous démontrons qu’une résistance accrue au stress et une mobilité de surface proviennent de la matrice exopolymère et nécessitent la présence des deux espèces dans l’assemblage. La mobilité est dirigée par la filamentation fongique lorsque les hyphes s’étendent et entrent en contact avec la surface, soulevant l’assemblage avec un « mouvement de saut vers l’avant » .
Des groupes de cellules bactériennes peuvent « faire du stop » sur cette unité mobile tout en grandissant continuellement, pour se propager en trois dimensions sur la surface et fusionner avec d’autres assemblages, favorisant ainsi l’expansion de la communauté. Ensemble, nos résultats révèlent un assemblage trans-royaume dans la salive humaine qui se comporte comme un supraorganisme, avec des fonctionnalités émergentes pathogènes qui ne peuvent être obtenues sans co-assemblage.
commentaires
Un partenariat trans-royaume entre bactéries et champignons pourrait aboutir à la réunion des deux pour former un « super-organisme » doté d’une force et d’une endurance inhabituelles. Cela peut ressembler à de la science-fiction, mais ces amas microbiens font partie intégrante de l’ici et maintenant.
Ces assemblages, retrouvés dans la salive des jeunes enfants atteints de caries infantiles sévères, peuvent coloniser efficacement les dents. Ils étaient plus collants, plus résistants aux antimicrobiens et plus difficiles à retirer des dents que les bactéries ou les champignons seuls, selon l’équipe de recherche dirigée par des scientifiques de l’École de médecine dentaire de l’Université de Pennsylvanie.
De plus, les assemblages font germer de manière inattendue des « membres » qui les incitent à « marcher » et à « sauter » pour se propager rapidement à la surface de la dent, même si chaque microbe seul n’est pas mobile, a rapporté l’équipe dans la revue Proceedings of the National. Académie des Sciences .
"Cela a commencé par une découverte très simple, presque accidentelle, en examinant des échantillons de salive de jeunes enfants ayant développé une carie dentaire agressive", explique Hyun (Michel) Koo, professeur à Penn Dental Medicine et co-auteur de l’article. « En regardant au microscope, nous avons remarqué que bactéries et champignons formaient ces assemblages et développaient des mouvements que nous n’aurions jamais imaginés : une mobilité proche de la marche et du saut. Ils disposent d’un grand nombre de ce que nous appelons des « fonctionnalités émergentes » qui apportent de nouveaux avantages à cette pile qu’ils ne pourraient pas obtenir seuls. "C’est presque comme un nouvel organisme, un superorganisme, doté de nouvelles fonctions."
Les assemblages inter-royaumes présents dans la salive humaine se comportent comme des supraorganismes dotés de nouvelles fonctionnalités et d’une activité favorisant la maladie. 1) C. albicans et S. mutans s’assemblent en amas de cellules structurées dans la salive humaine, qui sont étonnamment similaires aux agrégats natifs inter-royaumes trouvés dans la salive intacte des patients malades. 2) Les bactéries et les champignons colonisent collectivement la surface sous forme d’un groupe cellulaire structuré doté d’une affinité de liaison plus élevée. 3) L’assemblage présente une plus grande tolérance aux contraintes de cisaillement et aux antimicrobiens. 4) Les assemblages se comportent comme des unités uniques qui croissent plus rapidement que les agrégats d’une seule espèce, s’étendant en trois dimensions et fusionnant les uns avec les autres, ce qui entraîne une couverture de surface élevée. 5) Les assemblages inter-royaumes présentent un nouveau mode de mobilité au niveau des groupes migrateurs avec des mouvements vers l’avant et un mécanisme de croissance en auto-stop lors de l’initiation du biofilm qui permet aux bactéries immobiles de se déplacer après la colonisation de la surface, favorisant ainsi l’expansion spatiale du biofilm à la surface. 6) Les assemblages inter-royaumes provoquent des dommages importants et graves à la surface de l’émail des dents.
Mieux (ou pire) ensemble
Dans le passé, le laboratoire de Koo s’est concentré sur le biofilm dentaire, ou plaque dentaire, présent chez les enfants atteints de caries graves, et a découvert que les bactéries (Streptococcus mutans) et les champignons (Candida albicans) contribuent à la maladie. Les caries, communément appelées caries, surviennent lorsque les sucres contenus dans l’alimentation nourrissent les bactéries et les champignons dans la bouche, entraînant la formation d’une plaque dentaire acide qui détruit l’émail.
La nouvelle série de découvertes a eu lieu lorsque Zhi Ren, chercheur postdoctoral dans le groupe de Koo, utilisait la microscopie qui permet aux scientifiques de visualiser le comportement des microbes vivants en temps réel. La technique "ouvre de nouvelles possibilités pour étudier la dynamique de processus biologiques complexes", déclare Ren, premier auteur de l’article et membre de la première cohorte du programme de formation postdoctorale NIDCR T90R90 au sein du Penn’s Center for Innovation and Precision Dentistry.
Après avoir observé les amas de bactéries et de champignons présents dans les échantillons de salive, Ren, Koo et leurs collègues étaient curieux de savoir comment ces amas se comporteraient une fois fixés à la surface d’une dent. C’est ainsi qu’a commencé une série d’expériences utilisant la microscopie vivante en temps réel pour observer le processus d’attachement et de croissance éventuelle.
Ils ont créé un système de laboratoire pour recréer la formation de ces assemblages, en utilisant des bactéries, des champignons et un matériau semblable à une dent, le tout incubé dans la salive humaine. La plateforme a permis aux chercheurs d’observer comment les groupes se réunissaient et d’analyser la structure des assemblages résultants. Ils ont découvert une structure hautement organisée avec des groupes bactériens liés entre eux dans un réseau complexe de levures fongiques et de projections ressemblant à des filaments appelées hyphes, toutes enchevêtrées dans un polymère extracellulaire, un matériau semblable à de la colle.
L’équipe a ensuite testé les propriétés de ces assemblages trans-royaumes une fois qu’ils ont colonisé la surface de la dent et a découvert « des comportements surprenants et des propriétés émergentes », explique Ren, « notamment une meilleure adhérence à la surface, les rendant très collantes, et une plus grande tolérance mécanique ». et antimicrobien. ce qui les rend difficiles à éliminer ou à tuer.
Selon les chercheurs, la caractéristique la plus intrigante de ces assemblages était peut-être leur mobilité. "Ils montraient des mouvements de "saut" et de "marche" tout en grandissant continuellement", explique Ren.
Bien que certaines bactéries puissent se propulser à l’aide d’appendices tels que des flagelles, les espèces microbiennes étudiées dans le cadre de la présente étude ne sont pas mobiles. Et contrairement à toute motilité microbienne connue, les assemblages utilisaient des hyphes fongiques pour s’ancrer à la surface, puis propulser l’ensemble du super-organisme vers l’avant, transportant les bactéries attachées à travers la surface, dit Koo, "comme des bactéries faisant de l’auto-stop sur des champignons". ".
Les groupes microbiens se sont déplacés rapidement et loin, ont découvert les chercheurs. Sur la surface semblable à une dent, l’équipe a mesuré des vitesses supérieures à 40 microns par heure, similaires à la vitesse des fibroblastes, un type de cellule du corps humain impliqué dans la cicatrisation des plaies. Dès les premières heures de croissance, les scientifiques ont observé les assemblages « sauter » de plus de 100 microns à la surface. "C’est plus de 200 fois la longueur de leur corps", dit Ren, "ce qui les rend encore meilleurs que la plupart des vertébrés, par rapport à la taille de leur corps. Par exemple, les rainettes et les sauterelles peuvent sauter vers l’avant. leur propre corps, respectivement.
Bien que les mécanismes exacts soient inconnus, la capacité des assemblages à « se déplacer à mesure qu’ils grandissent », disent les chercheurs, a une conséquence évidente : elle leur permet de coloniser et de se propager rapidement sur de nouvelles surfaces. Lorsque l’équipe de recherche a permis aux assemblages d’adhérer et de se développer sur de vraies dents humaines dans un modèle de laboratoire, ils ont découvert une carie dentaire plus étendue en raison d’un biofilm qui se propageait rapidement.
Traitement des maladies et biologie en général.
Étant donné que ces assemblages se trouvent dans la salive, les cibler tôt pourrait constituer une stratégie thérapeutique pour prévenir la carie dentaire chez l’enfant, explique Koo. "Si vous bloquez cette liaison ou perturbez l’assemblage avant qu’il n’atteigne la dent et ne cause des dommages, cela pourrait être une stratégie préventive."
Et au-delà des applications pour traiter cette maladie spécifique, affirment les chercheurs, les nouveaux résultats pourraient être applicables à la biologie microbienne en général. Par exemple, les organismes agrégés trouvés dans d’autres fluides biologiques ou écosystèmes aquatiques peuvent également favoriser la colonisation et la croissance des surfaces et provoquer des maladies infectieuses ou une pollution de l’environnement.
"Nous avons vu ces deux organismes distincts se réunir pour former une nouvelle entité organique qui confère à chacun des avantages et des fonctions supplémentaires que les cellules individuelles n’avaient pas à elles seules", explique Koo. Les résultats pourraient même faire la lumière sur l’évolution du mutualisme et de la multicellularité qui améliorent la survie et la croissance des organismes individuels lorsqu’ils se réunissent et travaillent ensemble comme une unité dans un environnement donné, note l’équipe.
"Cette découverte d’un superorganisme est vraiment innovante et inattendue", déclare Knut Drescher de l’Université de Bâle, co-auteur de l’article. « Personne n’aurait prédit cela. Zhi est tombé dessus par hasard tout en gardant l’esprit ouvert.
