La collaborazione tra il regno tra batteri e funghi può portare i due a unirsi per formare un "superorganismo" con una forza e una resilienza insolite. Può sembrare roba da fantascienza, ma questi raggruppamenti microbici fanno davvero parte del qui e ora.

Trovato nella saliva dei bambini con grave carie dentaria infantile, questi assemblaggi possono colonizzare efficacemente i denti. Secondo il team di ricerca, guidato dagli scienziati della University of Pennsylvania School of Dental Medicine, erano più appiccicosi, più resistenti agli antimicrobici e più difficili da rimuovere dai denti rispetto ai batteri o ai funghi da soli.

Inoltre, gli assemblaggi fanno germogliare inaspettatamente "arti" che li spingono a "camminare" e "saltare" per diffondersi rapidamente sulla superficie del dente, nonostante ogni microbo di per sé non sia mobile, ha riportato il team nella rivista Proceedings dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

"Questo è iniziato con una scoperta molto semplice, quasi accidentale, durante l'osservazione di campioni di saliva di bambini che sviluppano una carie dentaria aggressiva", afferma Hyun (Michel) Koo, professore alla Penn Dental Medicine e co-autore dell'articolo. "Guardando al microscopio, abbiamo notato i batteri e i funghi che formano questi assemblaggi e sviluppano movimenti che non avremmo mai pensato potessero possedere:una mobilità "simile a camminare" e "simile a un salto". Hanno molte di quelle che chiamiamo "funzioni emergenti ' che apportano nuovi benefici a questo assemblaggio che non potrebbero ottenere da soli. È quasi come un nuovo organismo, un superorganismo, con nuove funzioni."

Meglio (o peggio) insieme

In passato, il laboratorio di Koo si è concentrato sul biofilm dentale, o placca, presente nei bambini con grave carie, scoprendo che sia i batteri, Streptococcus mutans, sia i funghi, Candida albicans, contribuiscono alla malattia. La carie, comunemente nota come cavità, si verifica quando gli zuccheri nella dieta indugiano a nutrire batteri e funghi nella bocca, portando alla placca dentale che produce acido che distrugge lo smalto.

La nuova serie di scoperte è avvenuta quando Zhi Ren, un borsista post-dottorato nel gruppo di Koo, stava usando la microscopia che consente agli scienziati di visualizzare il comportamento dei microbi viventi in tempo reale. La tecnica "apre nuove possibilità per studiare la dinamica di processi biologici complessi", afferma Ren, primo autore dell'articolo e parte della prima coorte del programma di formazione post-dottorato NIDCR T90R90 all'interno del Penn's Center for Innovation &Precision Dentistry.

Dopo aver visto i gruppi batterici-fungini presenti nei campioni di saliva, Ren, Koo e colleghi erano curiosi di sapere come avrebbero potuto comportarsi i raggruppamenti una volta attaccati alla superficie di un dente. Iniziò così una serie di esperimenti utilizzando la microscopia dal vivo in tempo reale per osservare il processo di attaccamento e l'eventuale crescita.

Hanno creato un sistema di laboratorio per ricreare la formazione di questi assemblaggi, utilizzando i batteri, i funghi e un materiale simile a un dente, il tutto incubato nella saliva umana. La piattaforma ha consentito ai ricercatori di osservare l'unione dei raggruppamenti e di analizzare la struttura degli assemblaggi risultanti. Hanno trovato una struttura altamente organizzata con grappoli batterici attaccati in una complessa rete di lievito fungino e proiezioni simili a filamenti chiamate ife, il tutto intrappolato in un polimero extracellulare, un materiale simile alla colla.

Successivamente il team ha testato le proprietà di questi assemblaggi tra i regni una volta che avevano colonizzato la superficie del dente e trovato "comportamenti sorprendenti e proprietà emergenti", afferma Ren, "inclusa una maggiore adesione superficiale, che li rende molto appiccicosi, e una maggiore tolleranza meccanica e antimicrobica, rendendoli difficili da rimuovere o uccidere."

Forse la caratteristica più intrigante degli assemblaggi, dicono i ricercatori, era la loro mobilità. "Hanno mostrato movimenti "simili a un salto" e "simili a una camminata" mentre crescevano continuamente", afferma Ren.

Mentre alcuni batteri possono spingersi da soli usando appendici come i flagelli, le specie microbiche nel presente studio sono entrambe non mobili. E a differenza di qualsiasi motilità microbica nota, gli assemblaggi utilizzavano le ife fungine per ancorarsi sulla superficie e quindi spingere l'intero superorganismo in avanti, trasportando i batteri attaccati attraverso la superficie, dice Koo, "come i batteri che fanno l'autostop sui funghi".

I ricercatori hanno scoperto che i raggruppamenti microbici si sono spostati velocemente e lontano. Sulla superficie simile a un dente, il team ha misurato velocità di oltre 40 micron all'ora, simili alla velocità dei fibroblasti, un tipo di cellula del corpo umano coinvolta nella guarigione delle ferite. Entro le prime ore di crescita, gli scienziati hanno osservato che gli assemblaggi "saltavano" per più di 100 micron sulla superficie. "Questa è più di 200 volte la loro lunghezza corporea", dice Ren, "rendendoli persino migliori della maggior parte dei vertebrati, rispetto alle dimensioni corporee. Ad esempio, raganelle e cavallette possono saltare in avanti circa 50 volte e 20 volte la loro lunghezza corporea , rispettivamente."

Sebbene i meccanismi esatti siano sconosciuti, la capacità degli assemblaggi di "si muovere man mano che crescono", affermano i ricercatori, ha una chiara conseguenza:consente loro di colonizzare rapidamente e diffondersi su nuove superfici. Quando il team di ricerca ha permesso agli assemblaggi di attaccarsi e crescere su denti umani reali in un modello di laboratorio, hanno riscontrato una carie più estesa a causa di un biofilm a rapida diffusione.

Trattamento delle malattie e biologia in generale

Poiché questi assemblaggi si trovano nella saliva, prenderli di mira precocemente potrebbe essere una strategia terapeutica per prevenire la carie dentaria infantile, afferma Koo. "Se blocchi questa rilegatura o interrompi l'assemblaggio prima che arrivi al dente e causi danni, potrebbe essere una strategia preventiva."

E al di là delle applicazioni per il trattamento di questa specifica malattia, affermano i ricercatori, le nuove scoperte potrebbero essere applicabili alla biologia microbica in generale. Ad esempio, gli organismi aggregati che si trovano in altri fluidi biologici o ecosistemi acquatici possono aumentare allo stesso modo la colonizzazione e la crescita della superficie per causare malattie infettive o contaminazione ambientale.

"Abbiamo visto che questi due organismi distinti si assemblano come una nuova entità organismica che ha dato a ciascuno ulteriori benefici e funzioni che le singole cellule non avevano da sole", afferma Koo. I risultati potrebbero persino far luce sull'evoluzione del mutualismo e della multicellularità che migliora la sopravvivenza e la crescita di singoli organismi quando si uniscono e lavorano insieme come un'unità in un determinato ambiente, osserva il team.

"Questa scoperta di un superorganismo 'cattivo ragazzo' è davvero rivoluzionaria e imprevista", afferma Knut Drescher dell'Università di Basilea, co-autore dell'articolo. "Nessuno l'avrebbe previsto. Zhi si è imbattuto accidentalmente in questo mantenendo una mente aperta." + Esplora ulteriormente

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