Een partnerschap tussen bacteriën en schimmels tussen het koninkrijk kan ertoe leiden dat de twee zich verenigen om een ​​"superorganisme" te vormen met ongewone kracht en veerkracht. Het klinkt misschien als sciencefiction, maar deze microbiële groepen maken heel erg deel uit van het hier en nu.

Gevonden in het speeksel van peuters met ernstig tandbederf bij kinderen, kunnen deze assemblages effectief tanden koloniseren. Ze waren plakkeriger, resistenter tegen antimicrobiële stoffen en moeilijker te verwijderen van tanden dan de bacteriën of de schimmels alleen, volgens het onderzoeksteam, geleid door wetenschappers van de University of Pennsylvania School of Dental Medicine.

Bovendien ontspruiten de assemblages onverwachts "ledematen" die hen ertoe aanzetten te "lopen" en "springen" om zich snel op het tandoppervlak te verspreiden, ondanks dat elke microbe op zichzelf niet-beweeglijk is, meldde het team in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences .

"Dit begon met een heel eenvoudige, bijna toevallige ontdekking, terwijl we keken naar speekselmonsters van peuters die agressief tandbederf ontwikkelen", zegt Hyun (Michel) Koo, een professor aan Penn Dental Medicine en een co-corresponderende auteur op het papier. "Toen we onder de microscoop keken, zagen we de bacteriën en schimmels die deze assemblages vormen en bewegingen ontwikkelen waarvan we nooit hadden gedacht dat ze ze zouden hebben:een 'lopende' en 'springende' mobiliteit. Ze hebben veel van wat we 'opkomende functies' noemen ' die nieuwe voordelen aan deze assemblage opleveren die ze alleen niet zouden kunnen bereiken. Het is bijna als een nieuw organisme - een superorganisme - met nieuwe functies."

Samen beter (of slechter)

In het verleden heeft Koo's lab zich gericht op de tandheelkundige biofilm, of plaque, aanwezig bij kinderen met ernstig tandbederf, en ontdekte dat zowel bacteriën - Streptococcus mutans - als schimmels - Candida albicans - bijdragen aan de ziekte. Cariës, algemeen bekend als gaatjes, ontstaat wanneer suikers in het dieet blijven hangen om bacteriën en schimmels in de mond te voeden, wat leidt tot zuurproducerende tandplak die het glazuur vernietigt.

De nieuwe reeks ontdekkingen kwam tot stand toen Zhi Ren, een postdoctoraal fellow in Koo's groep, microscopie gebruikte waarmee wetenschappers het gedrag van levende microben in realtime kunnen visualiseren. De techniek "opent nieuwe mogelijkheden om de dynamiek van complexe biologische processen te onderzoeken", zegt Ren, een eerste auteur op het papier en onderdeel van het eerste cohort van het NIDCR T90R90 postdoctorale trainingsprogramma binnen Penn's Center for Innovation &Precision Dentistry.

Na het zien van de bacterie-schimmelclusters die aanwezig waren in de speekselmonsters, waren Ren, Koo en collega's nieuwsgierig hoe de groeperingen zich zouden kunnen gedragen als ze eenmaal aan het oppervlak van een tand zijn bevestigd. Zo begon een reeks experimenten met real-time live microscopie om het proces van hechting en uiteindelijke groei te observeren.

Ze creëerden een laboratoriumsysteem om de vorming van deze assemblages na te bootsen, met behulp van de bacteriën, schimmels en een tandachtig materiaal, allemaal geïncubeerd in menselijk speeksel. Het platform stelde de onderzoekers in staat om de groeperingen samen te zien komen en de structuur van de resulterende assemblages te analyseren. Ze vonden een sterk georganiseerde structuur met bacterieclusters bevestigd in een complex netwerk van schimmelgist en filamentachtige uitsteeksels, hyfen genaamd, allemaal verstrikt in een extracellulair polymeer, een lijmachtig materiaal.

Vervolgens testte het team de eigenschappen van deze koninkrijksoverschrijdende assemblages nadat ze het tandoppervlak hadden gekoloniseerd en vonden ze "verrassend gedrag en opkomende eigenschappen", zegt Ren, "inclusief verbeterde oppervlakteadhesie, waardoor ze erg plakkerig werden, en verhoogde mechanische en antimicrobiële tolerantie, waardoor ze moeilijk te verwijderen of te doden zijn."

Misschien wel het meest intrigerende kenmerk van de assemblages, zeggen de onderzoekers, was hun mobiliteit. "Ze vertoonden 'springende' en 'lopende' bewegingen terwijl ze continu groeiden", zegt Ren.

Hoewel sommige bacteriën zichzelf kunnen voortbewegen met behulp van aanhangsels zoals flagella, zijn de microbiële soorten in de huidige studie beide niet-beweeglijk. En in tegenstelling tot alle bekende microbiële beweeglijkheid, gebruikten de assemblages de schimmelhyfen om zich aan het oppervlak te verankeren en vervolgens het hele superorganisme naar voren te stuwen, waarbij de eraan gehechte bacteriën over het oppervlak werden getransporteerd, zegt Koo, "zoals bacteriën die op de schimmels liften."

De microbiële groeperingen bewogen snel en ver, vonden de onderzoekers. Op het tandachtige oppervlak mat het team snelheden van meer dan 40 micron per uur, vergelijkbaar met de snelheid van fibroblasten, een type cel in het menselijk lichaam dat betrokken is bij wondgenezing. Binnen de eerste uren van de groei zagen de wetenschappers de assemblages meer dan 100 micron over het oppervlak "springen". "Dat is meer dan 200 keer hun eigen lichaamslengte", zegt Ren, "waardoor ze zelfs beter zijn dan de meeste gewervelde dieren, in verhouding tot hun lichaamsgrootte. Boomkikkers en sprinkhanen kunnen bijvoorbeeld ongeveer 50 keer vooruit springen en 20 keer hun eigen lichaamslengte respectievelijk."

Hoewel de exacte mechanismen onbekend zijn, heeft het vermogen van de assemblages om "te bewegen terwijl ze groeien", zeggen de onderzoekers, één duidelijk gevolg:het stelt hen in staat snel te koloniseren en zich naar nieuwe oppervlakken te verspreiden. Toen het onderzoeksteam toestond dat de assemblages zich hechten aan en groeien op echte menselijke tanden in een laboratoriummodel, vonden ze meer tandbederf als gevolg van een zich snel verspreidende biofilm.

Ziektebehandeling en biologie in het algemeen

Omdat deze assemblages in speeksel worden gevonden, zou het vroegtijdig aanpakken ervan een therapeutische strategie kunnen zijn om tandbederf bij kinderen te voorkomen, zegt Koo. "Als je deze binding blokkeert of de assemblage verstoort voordat deze op de tand aankomt en schade veroorzaakt, kan dat een preventieve strategie zijn."

En buiten de toepassingen voor de behandeling van deze specifieke ziekte, zeggen de onderzoekers, kunnen de nieuwe bevindingen van toepassing zijn in de microbiële biologie in het algemeen. Geaggregeerde organismen die in andere biologische vloeistoffen of aquatische ecosystemen worden aangetroffen, kunnen bijvoorbeeld op vergelijkbare wijze de kolonisatie en groei van het oppervlak bevorderen om infectieziekten of milieuverontreiniging te veroorzaken.

"We zagen dat deze twee verschillende organismen samenkwamen als een nieuwe organismale entiteit die elk extra voordelen en functies gaf die afzonderlijke cellen op zichzelf niet hadden", zegt Koo. De bevindingen kunnen zelfs licht werpen op de evolutie van mutualisme en multicellulariteit die de overleving en groei van afzonderlijke organismen verbetert wanneer ze zich verenigen en samenwerken als een eenheid in een bepaalde omgeving, merkt het team op.

"Deze ontdekking van een 'slechterik'-superorganisme is echt baanbrekend en onverwacht", zegt Knut Drescher van de Universiteit van Basel, een co-corresponderende auteur van de krant. "Niemand zou dit hebben voorspeld. Zhi kwam hier per ongeluk op uit door een open geest te houden." + Verder verkennen

Onderzoeksteam tandheelkunde bewijst dat biofilmmethode kan worden gebruikt om nieuwe tandbederfbehandelingen goedkoop te testen