細(xì)菌和真菌之間的跨王國(guó)伙伴關(guān)系可能導(dǎo)致兩者結(jié)合形成具有不同尋常的力量和彈性的“超級(jí)有機(jī)體”。這聽(tīng)起來(lái)像科幻小說(shuō)中的東西，但這些微生物分組是此時(shí)此地的重要組成部分。

這些組合存在于患有嚴(yán)重兒童蛀牙的幼兒的唾液中，可以有效地定植牙齒。根據(jù)賓夕法尼亞大學(xué)牙科醫(yī)學(xué)院科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的研究小組的說(shuō)法，它們更粘，對(duì)抗菌劑更具抵抗力，并且比細(xì)菌或真菌更難從牙齒上去除。

更重要的是，這些組合出乎意料地萌發(fā)了“四肢”，推動(dòng)它們“行走”和“跳躍”以迅速在牙齒表面擴(kuò)散，盡管每個(gè)微生物本身都是非運(yùn)動(dòng)的，研究小組在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上報(bào)道。

“這始于一個(gè)非常簡(jiǎn)單，幾乎是偶然的發(fā)現(xiàn)，同時(shí)觀察患有侵襲性蛀牙的幼兒的唾液樣本，”賓夕法尼亞牙科醫(yī)學(xué)教授，該論文的共同通訊作者Hyun(Michel)Koo說(shuō)。“在顯微鏡下觀察，我們注意到細(xì)菌和真菌形成了這些組合，并發(fā)展出我們從未想過(guò)它們會(huì)擁有的運(yùn)動(dòng)：一種'行走式'和'跳躍式'的移動(dòng)性。他們有很多我們稱(chēng)之為“緊急功能”的東西，為這個(gè)組合帶來(lái)了他們自己無(wú)法實(shí)現(xiàn)的新好處。它幾乎就像一個(gè)新的有機(jī)體——一個(gè)具有新功能的超級(jí)有機(jī)體。

一起更好(或更壞)

過(guò)去，Koo的實(shí)驗(yàn)室一直專(zhuān)注于嚴(yán)重蛀牙兒童中存在的牙齒生物膜或牙菌斑，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌 - 變形鏈球菌 - 和真菌 - 白色念珠菌 - 都有助于這種疾病。齲齒，通常被稱(chēng)為蛀牙，當(dāng)飲食中的糖徘徊以喂養(yǎng)口腔中的細(xì)菌和真菌時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)，導(dǎo)致產(chǎn)生酸的牙菌斑，破壞牙釉質(zhì)。

這組新發(fā)現(xiàn)是在Koo小組的博士后Zhi Ren使用顯微鏡使科學(xué)家能夠?qū)崟r(shí)可視化活微生物的行為時(shí)發(fā)現(xiàn)的。該技術(shù)“為研究復(fù)雜生物過(guò)程的動(dòng)力學(xué)開(kāi)辟了新的可能性，”Ren說(shuō)，他是該論文的第一作者，也是賓夕法尼亞大學(xué)創(chuàng)新與精密牙科中心NIDCR T90R90博士后培訓(xùn)計(jì)劃的第一批人。

在看到唾液樣本中存在的細(xì)菌真菌簇后，Ren，Koo及其同事很好奇這些分組一旦附著在牙齒表面會(huì)如何表現(xiàn)。于是開(kāi)始了一系列實(shí)時(shí)實(shí)時(shí)顯微鏡實(shí)驗(yàn)，以觀察附著過(guò)程和最終生長(zhǎng)。

他們創(chuàng)建了一個(gè)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)來(lái)重現(xiàn)這些組合的形成，使用細(xì)菌，真菌和牙齒狀材料，所有這些都在人類(lèi)唾液中孵育。該平臺(tái)使研究人員能夠觀察分組聚集在一起并分析由此產(chǎn)生的組合結(jié)構(gòu)。他們發(fā)現(xiàn)了一種高度組織的結(jié)構(gòu)，細(xì)菌簇附著在真菌酵母和稱(chēng)為菌絲的細(xì)絲狀突起的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中，所有這些都纏繞在細(xì)胞外聚合物(一種膠狀材料)中。

接下來(lái)，研究小組測(cè)試了這些跨王國(guó)組合的特性，一旦它們?cè)谘例X表面定植，發(fā)現(xiàn)了“令人驚訝的行為和涌現(xiàn)特性，”Ren說(shuō)，“包括增強(qiáng)表面附著力，使它們非常粘，以及增加機(jī)械和抗菌耐受性，使它們難以去除或殺死。

研究人員說(shuō)，也許這些組合最有趣的特征是它們的機(jī)動(dòng)性。“它們?cè)诓粩喑砷L(zhǎng)的同時(shí)表現(xiàn)出'跳躍式'和'行走式'的動(dòng)作，”任說(shuō)。

雖然一些細(xì)菌可以使用鞭毛等附屬物推動(dòng)自己，但目前研究中的微生物物種都是非運(yùn)動(dòng)的。與任何已知的微生物運(yùn)動(dòng)不同，這些組合使用真菌菌絲錨定在表面，然后推動(dòng)整個(gè)超有機(jī)體向前，將附著的細(xì)菌運(yùn)送到表面，Koo說(shuō)，“就像細(xì)菌搭在真菌上一樣。

研究人員發(fā)現(xiàn)，微生物群體移動(dòng)得又快又遠(yuǎn)。在牙齒狀表面上，研究小組測(cè)量了每小時(shí)超過(guò)40微米的速度，類(lèi)似于成纖維細(xì)胞的速度，成纖維細(xì)胞是人體中參與傷口愈合的一種細(xì)胞。在生長(zhǎng)的最初幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，科學(xué)家們觀察到這些組合在表面“跳躍”了100多微米。“這是它們自身體長(zhǎng)的200多倍，”任正非說(shuō)，“相對(duì)于體型，它們甚至比大多數(shù)脊椎動(dòng)物都要好。例如，樹(shù)蛙和蚱蜢可以分別向前跳躍約50倍和20倍的體長(zhǎng)。

研究人員說(shuō)，雖然確切的機(jī)制尚不清楚，但這些組合“隨著生長(zhǎng)而移動(dòng)”的能力有一個(gè)明顯的后果：它使它們能夠迅速殖民并擴(kuò)散到新的表面。當(dāng)研究小組允許這些組合在實(shí)驗(yàn)室模型中附著在真實(shí)的人類(lèi)牙齒上并生長(zhǎng)時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)由于快速擴(kuò)散的生物膜，蛀牙范圍更廣。

疾病治療和生物學(xué)

Koo說(shuō)，因?yàn)檫@些組合是在唾液中發(fā)現(xiàn)的，所以盡早靶向它們可能是預(yù)防兒童蛀牙的一種治療策略。“如果你在它到達(dá)牙齒并造成損害之前阻止這種結(jié)合或破壞組合，這可能是一種預(yù)防策略。

研究人員說(shuō)，除了治療這種特定疾病的應(yīng)用之外，新發(fā)現(xiàn)可能適用于微生物生物學(xué)。例如，在其他生物體液或水生生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的聚集生物可能同樣增強(qiáng)地表定植和生長(zhǎng)，從而導(dǎo)致傳染病或環(huán)境污染。

“我們看到這兩種不同的生物體聚集在一起，形成一個(gè)新的有機(jī)體實(shí)體，為每一個(gè)生物體提供了單細(xì)胞本身所沒(méi)有的額外好處和功能，”Koo說(shuō)。研究小組指出，這些發(fā)現(xiàn)甚至可以揭示共生和多細(xì)胞的進(jìn)化，當(dāng)單個(gè)生物在特定環(huán)境中作為一個(gè)整體團(tuán)結(jié)起來(lái)一起工作時(shí)，它們會(huì)增強(qiáng)它們的生存和生長(zhǎng)。

“這種'壞人'超有機(jī)體的發(fā)現(xiàn)確實(shí)是開(kāi)創(chuàng)性的，出乎意料的，”巴塞爾大學(xué)的Knut Drescher說(shuō)，他是該論文的共同通訊作者。“沒(méi)有人會(huì)預(yù)料到這一點(diǎn)。智不小心絆倒了這一點(diǎn)，保持著開(kāi)放的心態(tài)。