Новый метод визуализации позволяет детально анализировать адгезивные взаимодействия микробов
Ученые идентифицировали множество типов бактерий в полости рта, но понимание того, как они взаимодействуют друг с другом, остается проблемой. Одна из трудностей заключается в том, что микробы формируют плотно упакованные многовидовые биопленки. Их плотность и сложность создают серьезные препятствия для визуализации отдельных клеток и анализа их взаимодействий на уровне одной клетки.
Ученые из ADA Forsyth разработали новый подход к визуализации, который позволяет анализировать пространственные связи между бактериями, включая силу адгезивных взаимодействий, удерживающих их вместе. Адгезия имеет фундаментальное значение для микробных биопленок, подверженных потоку, таких как биопленки в полости рта. Из-за потока слюны любой микроб, который не прилипает к поверхности во рту (зубам, языку или деснам) — либо напрямую, либо косвенно через взаимодействие с другими прилипшими микробами — будет смыт в желудочно-кишечный тракт.
Ученые подробно описывают свои выводы в новой статье, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Science. В то время как традиционные методы экспансионной микроскопии используются для повышения разрешения, ученые применили иной подход: они использовали нетрадиционное применение экспансионной микроскопии, которое позволяет «разуплотнить» отдельные бактериальные клетки в многовидовой биопленке.
Метод основан на набухающем геле, который расширяет пространство между бактериальными клетками, но не расширяет пространство внутри клеток. Набухание геля создает «перетягивание каната» между силами расширения геля и адгезивными силами между микробами. Слабо связанные клетки будут разъединены, а сильно связанные останутся вместе. Таким образом можно определить относительную силу взаимодействий «микроб-микроб» в микробных биопленках на уровне одной клетки.
Исследователи применили новый подход для анализа модельных микробных сообществ, в частности взаимодействий Fusobacterium nucleatum–Streptococcus и Schaalia–TM7. Они обнаружили, что Fusobacterium nucleatum связывается сильнее со Streptococcus sanguinis, чем со Streptococcus mutans. Это может быть важно, поскольку Streptococcus mutans обычно ассоциируется с кариесом зубов.
«Раньше мы могли идентифицировать виды бактерий в оральном микробиоме, но теперь мы можем изучать способ взаимодействия микробов в этих сообществах биопленок, — сказал ведущий исследователь и соавтор статьи Пу-Тин Донг, Ph.D. — Мы можем точно определить на уровне одной клетки, насколько сильно бактерия A связывается с бактерией B или бактерия B с бактерией C».
Возможность анализировать адгезивные взаимодействия между бактериями является прорывной и открывает путь к новым открытиям в микробиологии. Эта работа объединила глубокие знания и опыт старших сотрудников микробиологического отдела ADA Forsyth, включая главного исполнительного директора AFI Вэньюаня Ши, Ph.D.; Сюэсун Хэ, DDS, Ph.D., пионера в микробиологии; и Гэри Бориси, Ph.D., ученого, который первым представил метод визуализации CLASI-FISH, позволяющий анализировать пространственные сообщества в оральном микробиоме.
«Этот междисциплинарный проект позволил нам объединить наши знания о микробных сообществах с нетрадиционным способом визуализации их взаимодействий, — сказал д-р Бориси. — Мы можем применить это открытие для углубления нашего понимания взаимоотношений между бактериями. Д-р Хэ первым культивировал TM7 — повсеместно распространенную группу ультрамалых эписимбиотических бактерий, обитающих в полости рта человека, но с малоизученной биологией, — и теперь мы использовали новую технику визуализации, чтобы определить силу взаимодействия TM7 с его клеткой-хозяином, Schaalia odontolytica».
Традиционно отдельные виды бактерий считались причиной заболеваний полости рта. Сейчас оральные микробиологи понимают, что индивидуальные патогены — не единственная причина болезни. Скорее, все сообщество микробов взаимодействует друг с другом и с человеческим хозяином сложными способами, что иногда приводит к заболеванию.