Le assemblee tra regni nella saliva umana mostrano mobilità superficiale a livello di gruppo e funzioni emergenti di promozione della malattia. Secondo una ricerca condotta da scienziati dell’Università della Pennsylvania, questi assemblaggi multicellulari tra regni erano più resistenti agli antimicrobici e alla rimozione e causavano carie dentali più estese rispetto alle loro controparti costituite da una sola specie.
Senso Funghi e batteri formano biofilm multicellulari che causano molte infezioni umane. Il modo in cui questi microbi distinti agiscono insieme spaziotemporalmente per coordinare la funzionalità che promuove la malattia rimane non studiato. Utilizzando la microscopia multiscala in tempo reale e l’analisi computazionale, abbiamo studiato la dinamica delle interazioni fungine e batteriche nella saliva umana e il loro sviluppo di biofilm sulle superfici dei denti. Scopriamo assemblaggi strutturati tra regni che mostrano funzionalità emergenti per migliorare la colonizzazione, la sopravvivenza e la crescita superficiale collettiva. Ulteriori analisi hanno rivelato una mobilità superficiale inaspettata a livello di gruppo con movimenti coordinati di “salto” e “camminata” in continua crescita. Questi gruppi mobili di cellule in crescita promuovono una rapida diffusione spaziale di entrambe le specie attraverso le superfici, portando a carie dentali più estese. I nostri risultati mostrano assemblaggi multicellulari tra regni che agiscono come sovraorganismi con funzionalità che non possono essere raggiunte senza il co-assemblaggio. |
Riepilogo
Funghi e batteri spesso partecipano a interazioni complesse, come la formazione di biofilm multicellulari all’interno del corpo umano. La conoscenza su come i biofilm iniziano e si fondono tra i regni nelle comunità di livello superiore e quali funzioni svolgono le diverse specie durante la formazione del biofilm rimane limitata. Abbiamo trovato gruppi di stati nativi di Candida albicans (funghi) e Streptococcus mutans (batteri) con disposizione altamente strutturata nella saliva di pazienti con carie infantile.
Ulteriori analisi hanno rivelato che i gruppi batterici sono collegati all’interno di una rete di lieviti fungini, ife ed esopolisaccaridi, che si legano alle superfici come un gruppo cellulare preassemblato. Le associazioni tra regni mostrano funzioni emergenti, tra cui un aumento del tasso di crescita e della colonizzazione superficiale, una maggiore tolleranza antimicrobica e una migliore resistenza al taglio, rispetto a entrambe le specie prese singolarmente. In particolare, abbiamo scoperto che gli assemblaggi tra regni mostrano una forma unica di mobilità spaziale migratoria che consente una rapida diffusione dei biofilm attraverso le superfici e porta a carie dentali potenziate e più estese.
Utilizzando mutanti, inattivazione selettiva di specie e delezione selettiva della matrice, dimostriamo che una maggiore resistenza allo stress e mobilità superficiale derivano dalla matrice esopolimerica e richiedono la presenza di entrambe le specie nell’assemblaggio. La mobilità è diretta dalla filamentazione fungina mentre le ife si estendono e entrano in contatto con la superficie, sollevando l’insieme con un "movimento di salto in avanti" .
Grappoli di cellule batteriche possono "fare l’autostop" su questa unità mobile mentre crescono continuamente, per diffondersi tridimensionalmente sulla superficie e fondersi con altri gruppi, promuovendo l’espansione della comunità. Insieme, i nostri risultati rivelano un assemblaggio tra regni nella saliva umana che si comporta come un sovraorganismo, con funzionalità emergenti che causano malattie che non possono essere raggiunte senza il co-assemblaggio.
Commenti
Una partnership tra regni tra batteri e funghi può far sì che i due si uniscano per formare un "superorganismo" con forza e resistenza insolite. Potrebbe sembrare fantascienza, ma questi ammassi microbici fanno parte del qui e ora.
Questi assemblaggi, trovati nella saliva di bambini piccoli con grave carie infantile, possono colonizzare efficacemente i denti. Secondo il gruppo di ricerca guidato da scienziati della School of Dental Medicine dell’Università della Pennsylvania, erano più appiccicosi, più resistenti agli antimicrobici e più difficili da rimuovere dai denti rispetto ai batteri o ai funghi.
Inoltre, dai gruppi spuntano inaspettatamente "arti" che li inducono a "camminare" e "saltare" per diffondersi rapidamente sulla superficie del dente, anche se ciascun microbo da solo non è mobile, ha riferito il team nella rivista Proceedings of the National Accademia delle Scienze .
"Tutto è iniziato con una scoperta molto semplice, quasi accidentale, osservando campioni di saliva di bambini piccoli che avevano sviluppato una carie aggressiva", afferma Hyun (Michel) Koo, professore alla Penn Dental Medicine e coautore dell’articolo. “Guardando al microscopio, abbiamo notato che batteri e funghi formavano questi aggregati e sviluppavano movimenti che non avremmo mai pensato potessero avere: una mobilità simile al camminare e al saltare. Hanno molte di quelle che chiamiamo "caratteristiche emergenti" che apportano nuovi vantaggi a questo stack che non potrebbero ottenere da soli. “È quasi come un nuovo organismo, un superorganismo, con nuove funzioni”.
Le assemblee tra regni nella saliva umana si comportano come superorganismi con nuove funzionalità e attività di promozione della malattia. 1) C. albicans e S. mutans si assemblano in cluster di cellule strutturate nella saliva umana, che sono sorprendentemente simili agli aggregati incrociati nativi trovati nella saliva intatta di pazienti malati. 2) Batteri e funghi colonizzano collettivamente la superficie come un gruppo cellulare strutturato con maggiore affinità di legame. 3) L’assemblaggio mostra una maggiore tolleranza allo stress di taglio e agli antimicrobici. 4) Gli assemblaggi si comportano come singole unità che crescono più velocemente degli aggregati di una singola specie, diffondendosi tridimensionalmente e fondendosi tra loro, risultando in un’elevata copertura superficiale. 5) Gli assemblaggi tra regni mostrano una nuova modalità di mobilità a livello di gruppo migratorio con movimenti in avanti e un meccanismo di crescita autostop durante l’avvio del biofilm che consente ai batteri immobili di riposizionarsi dopo la colonizzazione superficiale, promuovendo così l’espansione spaziale del biofilm sulla superficie. 6) Gli assemblaggi interregni causano danni estesi e gravi alla superficie dello smalto dei denti.
Meglio (o peggio) insieme
In passato, il laboratorio di Koo si è concentrato sul biofilm dentale, o placca, presente nei bambini con carie gravi, e ha scoperto che sia i batteri (Streptococcus mutans) che i funghi (Candida albicans) contribuiscono alla malattia. Le carie, comunemente note come carie, si formano quando gli zuccheri presenti nella dieta vengono lasciati a nutrire batteri e funghi nella bocca, portando alla placca dentale che produce acido che distrugge lo smalto.
La nuova serie di scoperte è arrivata quando Zhi Ren, un ricercatore post-dottorato nel gruppo di Koo, stava utilizzando la microscopia che consente agli scienziati di visualizzare il comportamento dei microbi viventi in tempo reale. La tecnica "apre nuove possibilità per studiare la dinamica di processi biologici complessi", afferma Ren, primo autore dell’articolo e parte del primo gruppo del programma di formazione post-dottorato NIDCR T90R90 presso il Penn’s Center for Innovation and Precision Dentistry.
Dopo aver visto i grumi di batteri e funghi presenti nei campioni di saliva, Ren, Koo e i loro colleghi erano curiosi di sapere come si sarebbero comportati i grumi una volta attaccati alla superficie di un dente. Iniziarono così una serie di esperimenti utilizzando la microscopia dal vivo in tempo reale per osservare il processo di attaccamento e l’eventuale crescita.
Hanno creato un sistema di laboratorio per ricreare la formazione di questi assemblaggi, utilizzando batteri, funghi e un materiale simile a un dente, il tutto incubato nella saliva umana. La piattaforma ha consentito ai ricercatori di osservare come i gruppi si univano e di analizzare la struttura degli assemblaggi risultanti. Hanno trovato una struttura altamente organizzata con gruppi batterici collegati insieme in una complessa rete di lieviti fungini e proiezioni simili a filamenti chiamate ife, il tutto impigliato in un polimero extracellulare, un materiale simile alla colla.
Il team ha poi testato le proprietà di questi assemblaggi tra regni una volta colonizzata la superficie del dente e ha scoperto "comportamenti sorprendenti e proprietà emergenti", afferma Ren, "tra cui una migliore adesione alla superficie, che li rende molto appiccicosi, e una maggiore tolleranza meccanica". e antimicrobico. rendendoli difficili da eliminare o uccidere”.
Forse la caratteristica più intrigante degli assemblaggi, dicono i ricercatori, è stata la loro mobilità. "Hanno mostrato movimenti di ’salto’ e ’camminata’ mentre crescevano continuamente", dice Ren.
Mentre alcuni batteri possono spingersi utilizzando appendici come i flagelli, le specie microbiche oggetto del presente studio non sono mobili. E a differenza di qualsiasi motilità microbica conosciuta, gli assemblaggi utilizzavano ife fungine per ancorarsi alla superficie e quindi spingere in avanti l’intero superorganismo, trasportando i batteri attaccati attraverso la superficie, dice Koo, "come i batteri che fanno l’autostop sui funghi". ".
I ricercatori hanno scoperto che i cluster microbici si muovevano velocemente e lontano. Sulla superficie simile a un dente, il team ha misurato velocità di oltre 40 micron all’ora, simili alla velocità dei fibroblasti, un tipo di cellula del corpo umano coinvolta nella guarigione delle ferite. Nelle prime ore di crescita, gli scienziati hanno osservato i gruppi "saltare" più di 100 micron sulla superficie. "Si tratta di più di 200 volte la lunghezza del loro corpo", afferma Ren, "rendendoli persino migliori della maggior parte dei vertebrati, rispetto alle dimensioni del corpo. Ad esempio, le raganelle e le cavallette possono saltare in avanti. Circa 50 e 20 volte la lunghezza del loro corpo. il proprio corpo, rispettivamente.
Sebbene i meccanismi esatti siano sconosciuti, la capacità degli insiemi di “muoversi man mano che crescono”, affermano i ricercatori, ha una chiara conseguenza: consente loro di colonizzare rapidamente e diffondersi su nuove superfici. Quando il gruppo di ricerca ha permesso che i gruppi aderissero e crescessero su veri denti umani in un modello di laboratorio, hanno scoperto una carie più estesa come risultato di un biofilm che si diffondeva rapidamente.
Trattamento delle malattie e della biologia in generale.
Poiché questi gruppi si trovano nella saliva, prenderli di mira precocemente potrebbe essere una strategia terapeutica per prevenire la carie infantile, dice Koo. "Se si blocca questo legame o si interrompe l’assemblaggio prima che raggiunga il dente e causi danni, questa potrebbe essere una strategia preventiva."
E al di là delle applicazioni per il trattamento di questa malattia specifica, dicono i ricercatori, le nuove scoperte potrebbero essere applicabili alla biologia microbica in generale. Ad esempio, gli organismi aggregati presenti in altri fluidi biologici o ecosistemi acquatici possono analogamente favorire la colonizzazione e la crescita della superficie provocando malattie infettive o inquinamento ambientale.
"Abbiamo visto questi due organismi distinti unirsi come una nuova entità organica che ha fornito a ciascuno ulteriori vantaggi e funzioni che le singole cellule non avevano da sole", afferma Koo. I risultati potrebbero anche far luce sull’evoluzione del mutualismo e della multicellularità che migliora la sopravvivenza e la crescita dei singoli organismi quando si uniscono e lavorano insieme come un’unità in un dato ambiente, osserva il team.
"La scoperta di un superorganismo è davvero innovativa e inaspettata", afferma Knut Drescher dell’Università di Basilea, coautore dell’articolo. “Nessuno lo avrebbe previsto. Zhi si è imbattuto accidentalmente in questo mantenendo la mente aperta.
