Una asociación entre reinos 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, 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. procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.
«Esto comenzó con un descubrimiento muy simple, casi accidental, mientras observaba muestras de saliva de niños pequeños que desarrollaron una caries dental agresiva», 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 de ‘caminar’ y ‘saltar’. Tienen mucho de lo que llamamos ‘funciones emergentes’. ‘ que aportan nuevos beneficios a este conjunto que no podrían lograr por sí mismos. Es casi como un nuevo organismo, un superorganismo, con nuevas funciones».
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 ambas bacterias… Streptococcus mutans — y hongos — Candida albicans — contribuir 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 posdoctoral 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.
A continuación, 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. Dentro de las primeras horas de crecimiento, los científicos observaron que los ensamblajes «saltaban» más de 100 micrones a través de la superficie. «Eso es más de 200 veces la longitud de su propio cuerpo», dice Ren, «lo que los hace 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 de ‘chico malo’ 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».
Hyun (Michel) Koo es profesor en el Departamento de Ortodoncia y las divisiones de Salud Bucal Comunitaria y Odontología Pediátrica en la Facultad de Medicina Dental, y cofundador del Centro de Innovación y Odontología de Precisión (CiPD) en la Universidad de Pensilvania. .
Zhi Ren es miembro del programa de capacitación postdoctoral T90/R90 del Instituto Nacional de Investigación Dental y Craneofacial Capacitación avanzada en la interfaz de ingeniería y ciencias orales-craneofaciales dentro de CiPD en la Escuela de Medicina Dental y la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Penn. Ren también fue becario de odontología pediátrica de Colgate-Palmolive (2019-21).
Knut Drescher es profesor asociado en el Biozentrum de la Universidad de Basilea en Suiza.
Los coautores de Koo y Ren en el artículo fueron Aurea Simon-Soro de Penn Dental Medicine, Zhenting Xiang, Yuan Liu e Indira M. Cavalcanti; Hannah Jeckel de la Philipps-Universität Marburg; Jin Xiao del Centro Médico de la Universidad de Rochester; Nyi-Nyi Tin y Anderson Hara de la Universidad de Indiana; y Knut Drescher de la Universidad de Basilea. Ren y Jeckel compartieron la primera autoría, y Drescher y Koo fueron coautores correspondientes.
Este trabajo fue apoyado en parte por el Instituto Nacional de Investigación Dental y Craneofacial (becas DE025220 y DE031532), el Budesministerium für Bildung und Forschung (Grant TARGET-Biofilm) y el Consejo Europeo de Investigación (Grant 716743).