Одна из самых разнообразных экосистем на планете находится в нашей ротовой полости.
Это процветающая экосистема, включающая более 500 различных видов бактерий живущих в биопленках. Почти все эти бактерии растут, делясь обычным способом, когда одна материнская клетка дает начало двум дочерним. Новое исследование Морской биологической лаборатории (США) раскрыло необычный механизм деления клеток у Corynebacterium matruchotii, одной из самых распространенных бактерий, живущих в зубном налете. Эта нитевидная бактерия не просто делится, она разделяется сразу на несколько клеток - редкий процесс, называемый множественным делением.
Исследователи наблюдали, как клетки C. matruchotii делились одновременно на 14 различных клеток, в зависимости от длины исходной материнской клетки. При этом новые клетки "отпочковывались" только с одного полюса материнской нити путем удлинением его конца. Нити C. matruchotii служат основой для зубного налета, который представляет собой биопленку. 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.
«У рифов есть кораллы, у лесов есть деревья, а в зубном налете в наших ртах есть Corynebacterium. Клетки Corynebacterium в зубном налете подобны большому, кустистому дереву в лесу; они создают пространственную структуру, которая обеспечивает среду обитания для многих других видов бактерий вокруг них», - рассказывает соавтор статьи Джессика Уэлч. "Эти биопленки похожи на микроскопические тропические леса. Бактерии в этих биопленках взаимодействуют между собой по мере роста и деления. Мы думаем, что необычный клеточный цикл C. matruchotii позволяет этому виду формировать очень плотные сети в сердцевине биопленки», - считает Уэлч.
Данное исследование основывается на работе 2016 года, в которой использовалась разработанная методика визуализации CLASI-FISH (комбинаторное маркирование и спектральная визуализация флуоресцентной гибридизации in situ) для визуализации пространственной организации зубного налета, полученного от здоровых доноров. В ходе этого исследования были получены изображения бактериальных консорциумов в зубном налете, которые за свой внешний вид получили название «ежики». Одним из главных выводов той оригинальной работы было то, что нитевидные клетки C. matruchotii служили основой структуры «ежа».
Настоящее исследование позволило глубже погрузиться в биологию C. matruchotii, используя микроскопию с замедленной съемкой для изучения процесса роста нитевидных клеток. Вместо того чтобы просто сделать моментальный снимок этого микробного тропического леса, ученые смогли в режиме реального времени изучить динамику роста бактерий в миниатюрной экосистеме. Они увидели, как эти бактерии взаимодействуют друг с другом, используют пространство и - в случае с C. matruchotii- невероятным образом размножаются. «Чтобы понять, как все различные виды бактерий работают вместе в биопленке зубного налета, мы должны понять основную биологию этих бактерий, которые не живут нигде, кроме человеческого рта», - отмечает Уэлч.
Стоматологи рекомендуют чистить зубы (а значит, и удалять зубной налет) дважды в день. Однако эта биопленка возвращается независимо от того, насколько тщательно вы чистите зубы. Экстраполируя результаты экспериментов по удлинению клеток, измеряемому в микрометрах в час, ученые обнаружили, что колонии C. matruchotii могут вырастать до полумиллиметра в день.
Другие виды Corynebacterium встречаются и в других частях микробиома человека, например, на коже и в носовой полости. Однако кожные и назальные виды коринебактерий - это более короткие, палочковидные клетки, которые, как известно, не удлиняются за счет удлинения кончиков и не делятся путем множественного деления.
«Что-то в этой очень плотной, конкурентной среде обитания зубного налета могло послужить толчком к эволюции такого способа роста», - говорит Уэлч.
Колония Corynebacterium matruchotii, одной из самых распространенных бактерий в зубном налете. Фото: Scott Chimileski, Marine Biological Laboratory. See Chimileski et al, PNAS, 2024
У C. matruchotii нет жгутиков - органелл, которые позволяют бактериям передвигаться. Поскольку эти бактерии не умеют плавать, исследователи полагают, что их уникальное удлинение и деление клеток может быть способом изучения окружающей среды, подобно мицелиальным сетям, наблюдаемым у бактерий Streptomyces, живущих в почве. «Если эти клетки обладают способностью перемещаться преимущественно к питательным веществам или к другим видам для формирования полезных взаимодействий, это может помочь нам понять, как возникает пространственная организация биопленок зубного налета», - поясняет Уэлч.
«Кто бы мог подумать, что в наших ртах может обитать микроб, чья репродуктивная стратегия практически уникальна в бактериальном мире», - говорит она. «Следующая задача - понять значение этой стратегии для здоровья нашей полости рта и нашего организма».
