Генетический анализ и флуоресцентная микроскопия раскрыли пространственную организацию микробных колоний зубного налета.
Как оказалось, бактерии формируют на зубах исключительно сложные по структуре сообщества, где у каждого вида микробов – свое место и своя особая роль. Результаты работы американских биологов публикует журнал Proceedings of the National Academy of Sciences.
Жизнь бактерий в сложных сообществах определяется не только общими условиями среды, но и индивидуальным окружением каждой клетки, включая соседей. «Бактерии имеют микронные размеры, и множество сил и факторов, определяющих их распределение в пространстве, качественно отличны от таких крупномасштабных факторов, как, например, климат, которыми привыкла оперировать традиционная биогеография, — пишет американский микробиолог Гэри Бориси (Gary Borisy) с соавторами. — Мы же выдвигаем концепцию микро-биогеографии, изучения пространственной организации бактериальных сообществ в соответствии с микроскопическими факторами среды».
В самом деле, тесный контакт бактерий, сосуществующих в едином компактном сообществе, дает им совершенно новые возможности — например, анаэробные микроорганизмы могут выживать в аэробных условиях, под пленкой защищающих их от кислорода аэробным форм. Кроме того, они реализуют обмен метаболитами, «совместно» и более полно усваивая более широкий набор веществ, активно используют горизонтальный перенос генов. В такой структуре различные виды бактерий занимают разные ниши, тесно взаимодействуя и поддерживая друг друга. Актуальным примером такого микроскопического и очень жизнестойкого сообщества может послужить биопленка зубного налета. Она и стала предметом первого «микро-биогеографического» исследования, которое группа Гэри Бориси провела совместно с медиками из Гарвардской школы стоматологии.
Генетическое разнообразие пленки зубного налета изучено довольно неплохо, в ней насчитывают до 700 видов микроорганизмов. Однако такие работы требуют предварительной гомогенизации микрофлоры, так что информация о пространственной организации их сообщества при этом утрачивается. Это и заставило Бориси с коллегами дополнить генетический анализ данными микроскопии с использованием флуоресцентных меток.
В ходе работы выяснилась особая роль, которую играют в этих сообществах коринебактерии. В шести из восьми участков ротовой полости, рассмотренных учеными (включая язык, небо и т.д.), присутствие их было совсем незначительным, но в двух оставшихся – над- и поддесневых бляшках налета – на коринебактерии приходилось 8 и 10 процентов от общего числа микробов, соответственно. Помимо них, специфичными для налета оказались бактерии Lauthropia и Rothia, тогда как Streptococcus, Haemophilus или Veillonella были представлены в ротовой полости более широко – фактически, повсеместно.
Структурную основу сообществу зубного налета, как оказалось, задают длинные и тонкие филаменты коринебактерий, которые радиально расходятся от точки крепления. Накрепко удерживаясь в покрывающем зубную эмаль белковом матриксе, эти нити позволяют сообществу восстанавливаться даже после самых интенсивных гигиенических процедур. На концах этих филаментов, как зерна на початке кукурузы, закрепляются округлые кокки и целый набор других бактерий – такую структуру авторы сравнивают с колючками ежа.
Их распределение вдоль нитей также неслучайно. Из девяти таксонов, наиболее часто встречающихся здесь, три аэробных (Streptococcus, Haemophilus, Aggregatibacter и Porphyromonas) занимают «внешний периметр» и контактируют с воздушной средой; промежуточное положение получают Fusobacterium, Leptotrichia и Capnocytophaga; наконец, факультативно анаэробные Corynebacterium (иногда при тесной поддержке актиномицетов) составляют массу у основания филамента.
Такая картина полностью соответствует исходной идее авторов о важности локальных микроскопических факторов для формирования структуры микробного сообщества. Несмотря на размеры, в них разворачиваются процессы, напоминающие работу полноценных экосистем. В частности, аэробные бактерии внешней части структуры утилизируют кислород, создавая подходящие гипоксические условия для обитателей более глубоких слоев. Кроме того, стрептококки утилизируют сахар, превращая его в молочную и уксусную кислоту, пероксид водорода и углекислый газ, которые «подхватываются» следующими бактериями в цепочке.
«Биогеография микробного сообщества на этом масштабе демонстрирует, насколько знание его пространственной организации важно для понимания физиологии, экологии и функционирования этого сообщества, – заключают авторы. – Выводы эти справедливы для любого микробиома, будь то сообщество, живущее в организме хозяина или в открытой природной среде».
http://www.pnas.org/content/113/6/E791