细菌和真菌之间的跨界伙伴关系可以导致两者结合形成具有不同寻常的力量和复原力的“超级有机体”。这听起来像是科幻小说中的东西，但这些微生物群是此时此地的重要组成部分。
在患有严重儿童蛀牙的幼儿的唾液中发现，这些组合可以有效地定植牙齿。据宾夕法尼亚大学牙科医学院科学家领导的研究小组称，它们比单独的细菌或真菌更粘，更耐抗菌剂，更难从牙齿上去除。
更重要的是，尽管每个微生物本身都没有运动能力，但这些组合出人意料地长出了“肢体”，推动它们“行走”和“跳跃”迅速蔓延到牙齿表面，该团队在《美国国家科学院院刊》杂志上报道科学。
“这始于一个非常简单的、几乎是偶然的发现，当时我们正在观察患有侵袭性蛀牙的幼儿的唾液样本，”宾夕法尼亚大学牙科医学教授、该论文的共同通讯作者 Hyun (Michel) Koo 说。 “在显微镜下观察，我们注意到形成这些组合的细菌和真菌，并发展出我们从未想过它们会拥有的运动：‘走路式’和‘跳跃式’的移动性。他们有很多我们称之为“紧急功能”的东西，这些功能为这个组合带来了他们自己无法实现的新好处。它几乎就像一个新的有机体——一个超级有机体——具有新的功能。”
更好（或更糟）在一起
过去，Koo 的实验室一直专注于存在于严重蛀牙儿童中的牙齿生物膜或牙菌斑，发现细菌（变形链球菌）和真菌（白色念珠菌）都会导致这种疾病。龋齿，俗称蛀牙，是由于饮食中的糖分滞留于口腔中的细菌和真菌，导致产生酸的牙菌斑破坏牙釉质。
当 Koo 小组的博士后研究员任志使用显微镜使科学家能够实时可视化活微生物的行为时，这些新的发现就出现了。这项技术“为研究复杂生物过程的动力学开辟了新的可能性，”该论文的第一作者、宾夕法尼亚大学创新与中心 NIDCR T90R90 博士后培训项目第一批成员任说。精密牙科。
在看到唾液样本中存在的细菌-真菌簇后，Ren、Koo 和同事很好奇这些组一旦附着在牙齿表面上会如何表现。于是开始了一系列使用实时显微镜观察附着过程和最终生长的实验。
他们创建了一个实验室系统来重建这些组合的形成，使用细菌、真菌和类似牙齿的材料，所有这些都在人类唾液中孵化。该平台使研究人员能够观察分组聚集在一起并分析所得组合的结构。他们发现了一种高度有组织的结构，细菌簇附着在一个复杂的真菌酵母网络和称为菌丝的细丝状突起中，所有这些都被一种细胞外聚合物（一种胶状材料）所包围。
接下来，研究小组测试了这些跨界组合在牙齿表面定植后的特性，并发现了“令人惊讶的行为和紧急特性”，Ren 说，“包括增强的表面粘附性，使它们非常粘，以及增加的机械和抗菌耐受性，使它们难以移除或杀死。”
研究人员说，也许这些组合最有趣的特征是它们的流动性。 “它们在不断增长的同时表现出‘跳跃式’和‘行走式’的运动，”任说。
虽然一些细菌可以使用鞭毛等附属物推动自己，但目前研究中的微生物物种都是非运动的。与任何已知的微生物运动不同，这些组合使用真菌菌丝锚定在表面上，然后推动整个超有机体前进，将附着的细菌运送到表面，Koo 说，“就像细菌在真菌上搭便车一样。”
研究人员发现，这些微生物群移动得又快又远。在类似牙齿的表面上，研究小组测量了超过每小时 40 微米的速度，类似于成纤维细胞的速度，成纤维细胞是人体中一种参与伤口愈合的细胞。在生长的最初几个小时内，科学家们观察到这些组合在表面上“跳跃”了 100 多微米。 “这是它们自身体长的 200 多倍，”任说，“相对于体型而言，它们甚至比大多数脊椎动物还要好。例如，树蛙和蚱蜢可以分别向前跳跃约 50 倍和 20 倍自身身体长度的长度。”
研究人员说，尽管确切的机制尚不清楚，但这些组合“随着它们的生长而移动”的能力有一个明显的后果：它使它们能够迅速定殖并扩散到新的表面。当研究小组在实验室模型中允许这些组合附着在真正的人类牙齿上并在其上生长时，他们发现由于生物膜迅速扩散而导致更广泛的蛀牙。 Koo 说
，
由于在唾液中发现了这些组合物，因此早期针对它们可能是预防儿童蛀牙的一种治疗策略。 “如果你在它到达牙齿并造成损坏之前阻止这种结合或破坏组合，这可能是一种预防策略。”
研究人员说，除了治疗这种特定疾病的应用之外，新发现可能普遍适用于微生物生物学。例如，在其他生物体液或水生生态系统中发现的聚集生物可能同样会增强表面定殖和生长，从而导致传染病或环境污染。
“我们看到这两种不同的有机体组合在一起成为一个新的有机体实体，为每一种生物体提供了单细胞自身所没有的额外好处和功能，”Koo 说。研究小组指出，这些发现甚至可以阐明共生和多细胞的进化，当它们在给定的环境中团结起来并作为一个整体一起工作时，它们可以增强单个生物的生存和生长。
该论文的共同通讯作者、巴塞尔大学的 Knut Drescher 说：“这个‘坏人’超有机体的发现确实是开创性的，也是出乎意料的。” “没有人会预料到这一点。智持开放的态度，无意中偶然发现了这一点。”
Hyun (Michel) Koo 是口腔医学院正畸学系和社区口腔健康和儿科牙科部门的教授，也是创新中心的联合创始人。宾夕法尼亚大学的精密牙科 (CiPD)。
任智是国家牙科和颅面研究所T90/R90博士后培训项目高级培训在工程与接口的研究员宾夕法尼亚大学牙科医学院和工程学院 CiPD 的口腔颅面科学应用科学。 Ren 还是 Colgate-Palmolive 儿科牙科研究员（2019-21）。
Knut Drescher 是瑞士巴塞尔大学生物中心的副教授。
Koo 和 Ren 的论文合著者是 Penn Dental Medicine 的 Aurea Simon-Soro、Zhenting Xiang、Yuan Liu 和 Indira M. Cavalcanti； Philipps-Universität Marburg 的 Hannah Jeckel；罗彻斯特大学医学中心的金晓；印第安纳大学的 Nyi-Nyi Tin 和 Anderson Hara；和巴塞尔大学的 Knut Drescher。 Ren 和 Jeckel 为第一作者，Drescher 和 Koo 为共同通讯作者。
这项工作得到了国家牙科和颅面研究所（赠款 DE025220 和 DE031532）、Budesministerium für Bildung und Forschung（Grant TARGET-Biofilm）和欧洲研究委员会（Grant 716743）的部分支持。

Journal
Proceedings of the National Academy of Sciences
DOI
10.1073/pnas.2209699119
Method of Research
Experimental study 研究
主题
细胞
文章标题
人类唾液中的跨界组合显示群体水平的表面流动性和促进疾病的新兴功能
文章发表日期
2022 年 10 月 7 日