Samarbete över riket mellan bakterier och svampar kan resultera i att de två går samman och bildar en "superorganism" med ovanlig styrka och motståndskraft. Det kan låta som science fiction, men dessa mikrobiella grupperingar är i hög grad en del av här och nu.

Finns i saliven hos småbarn med allvarlig karies i barndomen, och dessa sammansättningar kan effektivt kolonisera tänder. De var klibbigare, mer resistenta mot antimikrobiella ämnen och svårare att ta bort från tänderna än antingen bakterierna eller svamparna ensamma, enligt forskargruppen, ledd av forskare vid University of Pennsylvania School of Dental Medicine.

Dessutom spirar sammansättningarna oväntat "lemmar" som driver dem att "gå" och "hoppa" för att snabbt spridas på tandytan, trots att varje mikrob för sig är icke-rörlig, rapporterade teamet i tidskriften Proceedings av National Academy of Sciences .

"Detta började med en mycket enkel, nästan oavsiktlig upptäckt, medan man tittade på salivprover från småbarn som utvecklar aggressivt karies," säger Hyun (Michel) Koo, professor vid Penn Dental Medicine och en motsvarande författare på tidningen. "När vi tittade under mikroskopet märkte vi bakterierna och svamparna som bildar dessa sammansättningar och utvecklar rörelser som vi aldrig trodde att de skulle ha:en "gåliknande" och "hoppliknande" rörlighet. De har många av vad vi kallar "emergenta funktioner" ' som ger den här sammansättningen nya fördelar som de inte kunde uppnå på egen hand. Det är nästan som en ny organism - en superorganism - med nya funktioner."

Bättre (eller sämre) tillsammans

Tidigare har Koos labb fokuserat på den dentala biofilmen, eller plack, som finns hos barn med allvarligt karies, och upptäckt att både bakterier - Streptococcus mutans - och svampar - Candida albicans - bidrar till sjukdomen. Karies, vanligtvis känd som håligheter, uppstår när sockerarter i kosten dröjer kvar för att mata bakterier och svampar i munnen, vilket leder till syraproducerande tandplack som förstör emaljen.

Den nya uppsättningen upptäckter kom till när Zhi Ren, en postdoktor i Koos grupp, använde mikroskopi som gör det möjligt för forskare att visualisera beteendet hos levande mikrober i realtid. Tekniken "öppnar nya möjligheter att undersöka dynamiken i komplexa biologiska processer", säger Ren, en första författare på tidningen och en del av den första kohorten av NIDCR T90R90 postdoktorala utbildningsprogram inom Penn's Center for Innovation &Precision Dentistry.

Efter att ha sett de bakterie-svampkluster som fanns i salivproverna var Ren, Koo och kollegor nyfikna på hur grupperingarna kunde bete sig när de fästs på ytan av en tand. Så började en serie experiment med realtidsmikroskopi för att observera processen för fastsättning och eventuell tillväxt.

De skapade ett laboratoriesystem för att återskapa bildandet av dessa sammansättningar, med hjälp av bakterier, svampar och ett tandliknande material, allt inkuberat i mänsklig saliv. Plattformen gjorde det möjligt för forskarna att se grupperingarna samlas och analysera strukturen för de resulterande sammansättningarna. De hittade en mycket organiserad struktur med bakteriekluster fästa i ett komplext nätverk av svampjäst och filamentliknande utsprång som kallas hyfer, alla insnärjda i en extracellulär polymer, ett limliknande material.

Därefter testade teamet egenskaperna hos dessa sammansättningar över riket när de hade koloniserat tandytan och hittade "överraskande beteenden och framväxande egenskaper", säger Ren, "inklusive förbättrad ytvidhäftning, vilket gör dem mycket klibbiga och ökad mekanisk och antimikrobiell tolerans, gör dem svåra att ta bort eller döda."

Den kanske mest spännande egenskapen hos samlingarna, säger forskarna, var deras rörlighet. "De visade "hoppliknande" och "gåliknande" rörelser samtidigt som de växte kontinuerligt, säger Ren.

Medan vissa bakterier kan driva sig själva med hjälp av bihang som flageller, är de mikrobiella arterna i den aktuella studien båda icke-rörliga. Och till skillnad från alla kända mikrobiell rörlighet, använde sammansättningarna svamphyfer för att förankra på ytan och sedan driva hela superorganismen framåt och transportera de fästa bakterierna över ytan, säger Koo, "som bakterier som liftar på svamparna."

De mikrobiella grupperingarna rörde sig snabbt och långt, fann forskarna. På den tandliknande ytan mätte teamet hastigheter på mer än 40 mikron per timme, liknande hastigheten hos fibroblaster, en typ av cell i människokroppen som är involverad i sårläkning. Inom de första timmarna av tillväxt, observerade forskarna samlingarna "hoppa" mer än 100 mikron över ytan. "Det är mer än 200 gånger deras egen kroppslängd", säger Ren, "gör dem ännu bättre än de flesta ryggradsdjur, i förhållande till kroppsstorlek. Till exempel kan lövgrodor och gräshoppor hoppa framåt omkring 50 gånger och 20 gånger sin egen kroppslängd , respektive."

Även om de exakta mekanismerna är okända, har sammansättningarnas förmåga att "röra sig när de växer", säger forskarna, en tydlig konsekvens:den gör det möjligt för dem att snabbt kolonisera och sprida sig till nya ytor. När forskargruppen lät sammansättningarna fästa vid och växa på riktiga mänskliga tänder i en laboratoriemodell, fann de mer omfattande karies till följd av en snabbt spridande biofilm.

Sjukdomsbehandling och biologi i stort

Eftersom dessa sammansättningar finns i saliv, kan inriktning på dem tidigt vara en terapeutisk strategi för att förhindra karies i barndomen, säger Koo. "Om du blockerar denna bindning eller stör sammansättningen innan den kommer på tanden och orsakar skada, kan det vara en förebyggande strategi."

Och utöver applikationerna för att behandla denna specifika sjukdom, säger forskarna, kan de nya rönen vara tillämpliga inom mikrobiell biologi i allmänhet. Till exempel kan aggregerade organismer som finns i andra biologiska vätskor eller akvatiska ekosystem på liknande sätt förbättra ytkolonisering och tillväxt för att orsaka infektionssjukdomar eller miljöförorening.

"Vi såg att dessa två distinkta organismer samlas som en ny organismenhet som gav var och en ytterligare fördelar och funktioner som enstaka celler inte hade på egen hand", säger Koo. Fynden kan till och med belysa utvecklingen av ömsesidighet och multicellularitet som förbättrar överlevnaden och tillväxten av enskilda organismer när de förenas och arbetar tillsammans som en enhet i en given miljö, konstaterar teamet.

"Denna upptäckt av en "bad guy"-superorganism är verkligen banbrytande och oväntad, säger Knut Drescher från University of Basel, en medförfattare på tidningen. "Ingen skulle ha förutspått detta. Zhi råkade snubbla över det här genom att hålla ett öppet sinne." + Utforska vidare

Tandvårdsforskarteam bevisar att biofilmmetoden kan användas för att på ett billigt sätt testa nya kariesbehandlingar