Los ensamblajes entre reinos en la saliva humana muestran movilidad superficial a nivel de grupo y funciones emergentes que promueven enfermedades. Estos ensamblajes multicelulares entre reinos fueron más resistentes a los antimicrobianos y a la eliminación, y causaron caries dentales más extensas que sus equivalentes de una sola especie, según una investigación dirigida por científicos de la Universidad de Pensilvania.

Resumen

Los hongos y las bacterias a menudo participan en interacciones complejas, como la formación de biopelículas multicelulares dentro del cuerpo humano. El conocimiento sobre cómo se inician y fusionan las biopelículas entre reinos en comunidades de nivel superior y qué funciones llevan a cabo las diferentes especies durante la formación de biopelículas sigue siendo limitado. Encontramos ensamblajes en estado nativo de Candida albicans (hongos) y Streptococcus mutans (bacterias) con disposición altamente estructurada en la saliva de pacientes enfermos con caries infantil.

Análisis posteriores revelaron que los grupos bacterianos están unidos dentro de una red de levaduras fúngicas, hifas y exopolisacáridos, que se unen a las superficies como un grupo celular preensamblado. Los ensamblajes entre reinos exhiben funciones emergentes, que incluyen una mayor tasa de crecimiento y colonización de la superficie, una mayor tolerancia a los antimicrobianos y una mejor resistencia al corte, en comparación con cualquiera de las especies solas. En particular, descubrimos que los ensamblajes entre reinos muestran una forma única de movilidad espacial migratoria que permite la rápida propagación de biopelículas a través de las superficies y provoca una caries dental mejorada y más extensa.

Mediante el uso de mutantes, la inactivación selectiva de especies y la eliminación selectiva de la matriz, demostramos que la mayor resistencia al estrés y la movilidad de la superficie surgen de la matriz exopolimérica y requieren la presencia de ambas especies en el ensamblaje. La movilidad está dirigida por la filamentación fúngica a medida que las hifas se extienden y entran en contacto con la superficie, levantando el ensamblaje con un "movimiento de salto hacia adelante".

Los grupos de células bacterianas pueden "hacer autostop" en esta unidad móvil mientras crecen continuamente, para extenderse tridimensionalmente por la superficie y fusionarse con otros ensamblajes, promoviendo la expansión de la comunidad. Juntos, nuestros resultados revelan un ensamblaje entre reinos en la saliva humana que se comporta como un supraorganismo, con funcionalidades emergentes que causan enfermedades que no se pueden lograr sin el co-ensamblaje.

Comentarios

Una asociación a través del reino entre bacterias y hongos puede resultar en que los dos se unan para formar un "superorganismo" con una fuerza y ​​resistencia inusuales. Puede sonar como material de ciencia ficción, pero estas agrupaciones microbianas son una gran parte del aquí y ahora.

Estos ensamblajes, que se encuentran en la saliva de los niños pequeños con caries infantil grave, pueden colonizar eficazmente los dientes. Eran más pegajosos, más resistentes a los antimicrobianos y más difíciles de eliminar de los dientes que las bacterias o los hongos solos, según el equipo de investigación, dirigido por científicos de la Facultad de Medicina Dental de la Universidad de Pensilvania.

Lo que es más, de los ensamblajes brotan inesperadamente "extremidades" que los impulsan a "caminar" y "saltar" para propagarse rápidamente en la superficie del diente, a pesar de que cada microbio por sí solo no tiene movilidad, informó el equipo en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences.

“Esto comenzó con un descubrimiento muy simple, casi accidental, mientras observaba muestras de saliva de niños pequeños que desarrollaron caries dentales agresivas”, dice Hyun (Michel) Koo, profesor de Penn Dental Medicine y coautor del artículo. “Mirando bajo el microscopio, notamos que las bacterias y los hongos formaban estos ensamblajes y desarrollaban movimientos que nunca pensamos que tendrían: una movilidad similar a caminar y saltar. Tienen muchas de las que llamamos "funciones emergentes" que aportan nuevos beneficios a este conjunto que no podrían lograr por sí solos. Es casi como un nuevo organismo, un superorganismo, con nuevas funciones”.

Los ensamblajes entre reinos en la saliva humana se comportan como supraorganismos con nuevas funcionalidades y actividad promotora de enfermedades. 1) C. albicans y S. mutans se ensamblan en grupos de células estructuradas en la saliva humana, que son notablemente similares a los agregados nativos entre reinos que se encuentran en la saliva intacta de pacientes enfermos. 2) Las bacterias y los hongos colonizan colectivamente la superficie como un grupo celular estructurado con mayor afinidad de unión. 3) El ensamblaje muestra una mayor tolerancia al esfuerzo cortante y a los antimicrobianos. 4) Los ensamblajes se comportan como unidades únicas que crecen más rápido que los agregados de una sola especie, extendiéndose tridimensionalmente y fusionándose entre sí, lo que da como resultado una alta cobertura superficial. 5) Los ensamblajes entre reinos muestran un modo novedoso de movilidad a nivel de grupo migratorio con movimientos hacia adelante y un mecanismo de crecimiento autostop durante la iniciación del biofilm que permite que las bacterias inmóviles se reubiquen después de la colonización de la superficie, lo que promueve la expansión espacial del biofilm en la superficie. 6) Los ensamblajes entre reinos causan daños extensos y severos en la superficie del esmalte dental.

Mejor (o peor) juntos

En el pasado, el laboratorio de Koo se centró en la biopelícula dental, o placa, presente en niños con caries severa, y descubrió que tanto la bacteria (Streptococcus mutans) como el hongo (Candida albicans) contribuyen a la enfermedad. Las caries, comúnmente conocidas como caries, surgen cuando los azúcares en la dieta se quedan para alimentar bacterias y hongos en la boca, lo que lleva a la placa dental productora de ácido que destruye el esmalte.

El nuevo conjunto de descubrimientos se produjo cuando Zhi Ren, un becario postdoctoral en el grupo de Koo, estaba usando microscopía que permite a los científicos visualizar el comportamiento de los microbios vivos en tiempo real. La técnica "abre nuevas posibilidades para investigar la dinámica de procesos biológicos complejos", dice Ren, primer autor del artículo y parte de la primera cohorte del programa de capacitación postdoctoral NIDCR T90R90 dentro del Centro de Innovación y Odontología de Precisión de Penn.

Después de ver los grupos de bacterias y hongos presentes en las muestras de saliva, Ren, Koo y sus colegas sintieron curiosidad por saber cómo se comportarían los grupos una vez adheridos a la superficie de un diente. Así comenzó una serie de experimentos utilizando microscopía en vivo en tiempo real para observar el proceso de unión y eventual crecimiento.

Crearon un sistema de laboratorio para recrear la formación de estos ensamblajes, utilizando bacterias, hongos y un material similar a un diente, todo incubado en saliva humana. La plataforma permitió a los investigadores observar cómo se juntaban los grupos y analizar la estructura de los ensamblajes resultantes. Encontraron una estructura altamente organizada con grupos bacterianos unidos en una red compleja de levadura fúngica y proyecciones similares a filamentos llamadas hifas, todas enredadas en un polímero extracelular, un material similar al pegamento.

Luego, el equipo probó las propiedades de estos ensamblajes entre reinos una vez que colonizaron la superficie del diente y encontraron "comportamientos sorprendentes y propiedades emergentes", dice Ren, "incluida una mejor adhesión a la superficie, haciéndolos muy pegajosos y una mayor tolerancia mecánica y antimicrobiana". haciéndolos difíciles de eliminar o matar”.

Quizás la característica más intrigante de los ensamblajes, dicen los investigadores, fue su movilidad. "Mostraron movimientos de 'saltar' y 'caminar' mientras crecían continuamente", dice Ren.

Si bien algunas bacterias pueden impulsarse a sí mismas utilizando apéndices como flagelos, las especies microbianas en el estudio actual no son móviles. Y a diferencia de cualquier motilidad microbiana conocida, los ensambles usaron las hifas fúngicas para anclarse en la superficie y luego impulsar todo el superorganismo hacia adelante, transportando las bacterias adheridas a través de la superficie, dice Koo, "como bacterias haciendo autostop en los hongos".

Los grupos microbianos se movieron rápido y lejos, encontraron los investigadores. En la superficie similar a un diente, el equipo midió velocidades de más de 40 micrones por hora, similar a la velocidad de los fibroblastos, un tipo de célula del cuerpo humano involucrada en la cicatrización de heridas. En las primeras horas de crecimiento, los científicos observaron que los ensamblajes "saltaban" más de 100 micrones en la superficie. "Eso es más de 200 veces la longitud de su propio cuerpo", dice Ren, "mhaciéndolos incluso mejores que la mayoría de los vertebrados, en relación con el tamaño del cuerpo. Por ejemplo, las ranas arborícolas y los saltamontes pueden saltar hacia adelante unas 50 y 20 veces la longitud de su propio cuerpo, respectivamente”.

Aunque se desconocen los mecanismos exactos, la capacidad de los ensamblajes para "moverse a medida que crecen", dicen los investigadores, tiene una consecuencia clara: les permite colonizar y extenderse rápidamente a nuevas superficies. Cuando el equipo de investigación permitió que los ensamblajes se adhirieran y crecieran en dientes humanos reales en un modelo de laboratorio, encontraron una caries dental más extensa como resultado de una biopelícula que se extendía rápidamente.

Tratamiento de enfermedades y biología en general.

Debido a que estos ensamblajes se encuentran en la saliva, atacarlos desde el principio podría ser una estrategia terapéutica para prevenir la caries dental infantil, dice Koo. “Si bloquea esta unión o interrumpe el ensamblaje antes de que llegue al diente y cause daño, esa podría ser una estrategia preventiva”.

Y más allá de las aplicaciones para el tratamiento de esta enfermedad específica, dicen los investigadores, los nuevos hallazgos podrían ser aplicables a la biología microbiana en general. Por ejemplo, los organismos agregados que se encuentran en otros fluidos biológicos o ecosistemas acuáticos pueden mejorar de manera similar la colonización y el crecimiento de la superficie para causar enfermedades infecciosas o contaminación ambiental.

"Vimos que estos dos organismos distintos se ensamblan como una nueva entidad orgánica que les dio a cada uno beneficios y funciones adicionales que las células individuales no tenían por sí mismas", dice Koo. Los hallazgos podrían incluso arrojar luz sobre la evolución del mutualismo y la multicelularidad que mejora la supervivencia y el crecimiento de organismos individuales cuando se unen y trabajan juntos como una unidad en un entorno determinado, señala el equipo.

"Este descubrimiento de un superorganismo es realmente innovador e inesperado", dice Knut Drescher de la Universidad de Basilea, coautor del artículo. “Nadie hubiera predicho esto. Zhi tropezó accidentalmente con esto al mantener la mente abierta”.