Одна из самых разнообразных экосистем на планете ближе, чем вы думаете, — прямо у вас во рту. Ваш рот — это процветающая экосистема из более чем 500 различных видов бактерий, живущих в отдельных структурированных сообществах, называемых биопленками. Почти все эти бактерии растут, разделяясь [или деля] на две части, при этом одна материнская клетка дает начало двум дочерним клеткам.

Новое исследование Лаборатории морской биологии (MBL) и ADA Forsyth раскрыло необычный механизм деления клеток у Corynebacterium matruchotii, одной из самых распространенных бактерий , живущих в зубном налете . Нитчатая бактерия не просто делится, она разделяется на несколько клеток одновременно, редкий процесс, называемый множественным делением. Исследование опубликовано в Трудах Национальной академии наук.

Команда наблюдала, как клетки C. matruchotii делятся на 14 разных клеток одновременно, в зависимости от длины исходной материнской клетки . Эти клетки также растут только на одном полюсе материнской нити — то, что называется «расширением кончика».

Нити C. matruchotii действуют как каркас внутри зубного налета, который является биопленкой. Зубной налет — это всего лишь одно микробное сообщество в огромной популяции микроорганизмов, которые живут и сосуществуют со здоровым человеческим телом — в среде, известной как «человеческий микробиом».

Это открытие проливает свет на то, как эти бактерии размножаются, конкурируют за ресурсы с другими бактериями и сохраняют свою структурную целостность в сложной среде зубного налета.

«В рифах есть кораллы, в лесах есть деревья, а в зубном налете у нас во рту есть коринебактерии. Клетки коринебактерий в зубном налете похожи на большое, густое дерево в лесу; они создают пространственную структуру, которая обеспечивает среду обитания для многих других видов бактерий вокруг них», — сказала соавтор статьи Джессика Марк Уэлч, старший научный сотрудник ADA Forsyth и внештатный научный сотрудник MBL.

«Эти биопленки похожи на микроскопические тропические леса. Бактерии в этих биопленках взаимодействуют по мере роста и деления. Мы считаем, что необычный клеточный цикл C. matruchotii позволяет этому виду формировать очень плотные сети в ядре биопленки», — сказал Скотт Чимилески, научный сотрудник MBL и ведущий автор статьи.

Микробный лес

Это исследование основано на статье 2016 года , в которой использовалась разработанная в MBL методика визуализации под названием CLASI-FISH (комбинаторная маркировка и спектральная визуализация флуоресцентной гибридизации in situ) для визуализации пространственной организации зубного налета, собранного у здоровых доноров.

Это более раннее исследование визуализировало бактериальные консорциумы внутри зубного налета, которые из-за их внешнего вида называются «ежами». Одним из основных выводов этой оригинальной статьи было то, что нитевидные клетки C. matruchotii действовали как основа структуры ежа.

В настоящем исследовании мы глубже погрузились в биологию C. matruchotii, используя покадровую микроскопию для изучения того, как растут нитевидные клетки. Вместо того, чтобы просто сделать снимок этого микробного тропического леса, ученые смогли отобразить динамику роста бактерий в миниатюрной экосистеме в реальном времени. Они увидели, как эти бактерии взаимодействуют друг с другом, используют пространство и — в случае C. matruchotii — невероятный способ их роста.

«Чтобы понять, как все эти виды бактерий взаимодействуют в биопленке зубного налета, нам необходимо понять основы биологии этих бактерий, которые не живут нигде, кроме полости рта человека», — сказал Марк Уэлч.

Стоматологи рекомендуют чистить зубы (и, следовательно, удалять зубной налет) дважды в день. Однако эта биопленка возвращается, как бы усердно вы ни чистили зубы. Экстраполируя эксперименты по удлинению клеток, измеряемые в микрометрах в час, ученые обнаружили, что колонии C. matruchotii могут расти на полмиллиметра в день.

Другие виды Corynebacterium встречаются в других местах микробиома человека, например, на коже и внутри носовой полости. Однако кожные и носовые виды Corynebacterium — это более короткие, палочковидные клетки, которые, как известно, не удлиняются путем удлинения кончика или не делятся путем множественного деления.

«Что-то в этой очень плотной, конкурентной среде обитания зубного налета могло послужить толчком к эволюции такого способа роста», — сказал Чимилески.

Исследовательский рост

У C. matruchotii отсутствуют жгутики — органеллы, которые позволяют бактериям перемещаться. Поскольку эти бактерии не умеют плавать, исследователи полагают, что их уникальное удлинение и деление клеток может быть для них способом исследовать окружающую среду, подобно мицелиальным сетям, которые можно увидеть у грибов и бактерий Streptomyces, живущих в почве.

«Если эти клетки обладают способностью перемещаться преимущественно в сторону питательных веществ или в сторону других видов для формирования полезных взаимодействий, это может помочь нам понять, как происходит пространственная организация биопленок бляшек », — сказал Чимилески.

«Кто бы мог подумать, что в наших привычных ртах обитает микроб, чья репродуктивная стратегия практически уникальна в бактериальном мире», — сказал соавтор Гари Бориси, главный исследователь ADA Forsyth и бывший директор Лаборатории морской биологии. «Следующая задача — понять значение этой стратегии для здоровья наших ртов и наших тел».