"Все началось с почти случайного открытия при изучении образцов слюны малышей с агрессивным кариесом, – рассказывает Хен (Мишель) Ку, профессор Пенсильванской стоматологической клиники и один из авторов исследования. – Рассматривая их под микроскопом, мы заметили, что бактерии и грибки образуют скопления и развивают такие движения, о которых мы даже не подозревали: они как будто ходят и прыгают".

По словам ученого, скопление давало преимущества всей совокупности микроорганизмов. "Это почти как новый организм – суперорганизм – с новыми функциями", – говорит Хен Ку.

 Вместе весело шагать

В прошлом лаборатория Ку занималась изучением зубной биопленки детей с тяжелым кариесом, и обнаружила, что как бактерии (Streptococcus mutans), так и грибки (Candida albicans) способствуют развитию заболевания. Кариес возникает, когда сахара в рационе начинают питать бактерии и грибки во рту, что приводит к образованию разрушающего эмаль кислотообразующего зубного налета.

Открытие сделал постдокторант группы Ку Жи Рен, который изучал поведение живых микробов с использованием микроскопии в режиме реального времени. По его словам, этот метод открывает новые возможности для изучения динамики сложных биологических процессов.

Увидев скопления бактерий и грибков в образцах слюны, Рен, Ку и их коллеги заинтересовались тем, как эти образования могут вести себя после прикрепления к поверхности зуба. Так началась серия экспериментов с использованием микроскопии в режиме реальном времени.

Ученые разработали лабораторную систему для воссоздания процесса формирования этих скоплений, используя бактерии, грибки и материал, похожий на зуб, инкубированный в человеческой слюне. Это позволило исследователям наблюдать за тем, как группировки собираются, и анализировать структуру скоплений. Они обнаружили высокоорганизованное образование с бактериальными кластерами, прикрепленными к сложной сети грибковых дрожжей и нитевидных проекций, называемых гифами. Между ними находился внеклеточный полимер – материал, похожий на клей.

Затем команда проверила свойства этих межцарственных скоплений после того, как они колонизировали поверхность зуба, и обнаружила усиленное сцепление с поверхностью, что делало их очень липкими, и повышенную механическую и антимикробную устойчивость, что затрудняло процесс их удаления и уничтожения.

Самой интригующей характеристикой этих скоплений, по словам исследователей, была их подвижность. По словам Рена, они демонстрировали "прыжкоподобные" и "шагающие" движения во время непрерывного роста.

Хотя некоторые бактерии могут приводить себя в движение с помощью придатков, таких как жгутики, виды микроорганизмов в данном исследовании не являются подвижными. Эти группы использовали грибковые гифы для закрепления на поверхности, а затем двигали весь суперорганизм вперед, перемещая прикрепленные бактерии. Как образно выразился Ку, это выглядело, как будто бактерии путешествуют автостопом на грибах.

Исследователи обнаружили, что группы микроорганизмов перемещаются быстро и далеко. На поверхности, похожей на зуб, группа исследователей измерила скорость более 40 микрон в час, что аналогично скорости фибробластов – типа клеток человеческого организма, участвующих в заживлении ран. В течение первых часов роста ученые наблюдали, как скопления "прыгали" по поверхности более чем на 100 микрон. "Это более чем в 200 раз превышает длину их собственного тела", – говорит Рен.

Хотя точные механизмы неизвестны, способность этих сообществ "двигаться по мере роста", по словам исследователей, имеет одно явное следствие: это позволяет им быстро распространяться на новые поверхности. Когда группа исследователей позволила сообществам прикрепиться к настоящим человеческим зубам и расти на них в лабораторной модели, они обнаружили более обширный кариес как результат быстро распространяющейся биопленки.

Важность профилактики

Поскольку эти скопления содержатся в слюне, их раннее обнаружение может стать стратегией для предотвращения детского кариеса. "Если блокировать это связывание или разрушить скопление до того, как оно попадет на зуб и вызовет повреждение, это может стать хорошей профилактикой", – говорит Ку.

По мнению ученых, помимо применения для лечения кариеса, новые результаты могут принести пользу всей микробной биологии в целом. Ведь агрегированные организмы, обнаруженные в других биологических жидкостях или водных экосистемах, могут аналогичным образом усиливать колонизацию поверхности и рост, вызывая инфекционные заболевания или загрязнение окружающей среды.

Команда отмечает, что полученные результаты могут также пролить свет на эволюцию мутуализма и многоклеточности, способствующей выживанию и росту отдельных организмов.

Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.