Les microbes qui causent les caries peuvent former des superorganismes capables de « ramper » et de se propager sur les dents


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  • Un partenariat inter-royaume entre bactéries et champignons peut aboutir à ce que les deux se rejoignent pour former un « superorganisme » doté d’une force et d’une résilience inhabituelles. Cela peut ressembler à de la science-fiction, mais ces groupements microbiens font partie intégrante de l’ici et maintenant.

    Présents dans la salive des tout-petits atteints de carie dentaire infantile sévère, ces assemblages peuvent efficacement coloniser les dents. Ils étaient plus collants, plus résistants aux antimicrobiens et plus difficiles à retirer des dents que les bactéries ou les champignons seuls, selon l’équipe de recherche dirigée par des scientifiques de l’École de médecine dentaire de l’Université de Pennsylvanie.

    De plus, les assemblages poussent de manière inattendue des « membres » qui les propulsent à « marcher » et à « sauter » pour se propager rapidement sur la surface de la dent, bien que chaque microbe soit lui-même non mobile, a rapporté l’équipe dans le journal. Actes de l’Académie nationale des sciences.

    « Cela a commencé par une découverte très simple, presque accidentelle, en examinant des échantillons de salive de tout-petits qui développent une carie dentaire agressive », explique Hyun (Michel) Koo, professeur à Penn Dental Medicine et auteur co-correspondant de l’article. « En regardant au microscope, nous avons remarqué que les bactéries et les champignons formaient ces assemblages et développaient des mouvements que nous n’aurions jamais pensé qu’ils posséderaient : une mobilité « semblable à la marche » et « ressemblant à un saut ». Ils ont beaucoup de ce que nous appelons des « fonctions émergentes ».  » qui apportent de nouveaux avantages à cet assemblage qu’ils ne pourraient pas atteindre par eux-mêmes. C’est presque comme un nouvel organisme – un superorganisme – avec de nouvelles fonctions. »

    Mieux (ou pire) ensemble

    Dans le passé, le laboratoire de Koo s’est concentré sur le biofilm dentaire, ou plaque dentaire, présent chez les enfants atteints de carie dentaire grave, découvrant que les deux bactéries — Streptococcus mutans — et champignons — Candida albicans — contribuer à la maladie. Les caries, communément appelées caries, surviennent lorsque les sucres contenus dans l’alimentation s’attardent pour nourrir les bactéries et les champignons dans la bouche, entraînant une plaque dentaire productrice d’acide qui détruit l’émail.

    La nouvelle série de découvertes est survenue lorsque Zhi Ren, un boursier postdoctoral du groupe de Koo, utilisait la microscopie qui permet aux scientifiques de visualiser le comportement des microbes vivants en temps réel. La technique « ouvre de nouvelles possibilités pour étudier la dynamique des processus biologiques complexes », déclare Ren, premier auteur de l’article et membre de la première cohorte du programme de formation postdoctorale NIDCR T90R90 au sein du Penn’s Center for Innovation & Precision Dentistry.

    Après avoir vu les grappes bactériennes et fongiques présentes dans les échantillons de salive, Ren, Koo et ses collègues étaient curieux de savoir comment les groupements pourraient se comporter une fois attachés à la surface d’une dent. Ainsi a commencé une série d’expériences utilisant la microscopie en direct en temps réel pour observer le processus d’attachement et de croissance éventuelle.

    Ils ont créé un système de laboratoire pour recréer la formation de ces assemblages, en utilisant les bactéries, les champignons et un matériau semblable à une dent, tous incubés dans la salive humaine. La plate-forme a permis aux chercheurs d’observer les regroupements et d’analyser la structure des assemblages résultants. Ils ont trouvé une structure hautement organisée avec des grappes bactériennes attachées dans un réseau complexe de levures fongiques et de projections filamenteuses appelées hyphes, toutes enchevêtrées dans un polymère extracellulaire, un matériau semblable à de la colle.

    Ensuite, l’équipe a testé les propriétés de ces assemblages inter-royaumes une fois qu’ils avaient colonisé la surface de la dent et a trouvé « des comportements surprenants et des propriétés émergentes », dit Ren, « y compris une adhérence de surface améliorée, les rendant très collants, et une tolérance mécanique et antimicrobienne accrue, ce qui les rend difficiles à enlever ou à tuer. »

    Selon les chercheurs, la caractéristique la plus intrigante des assemblages était peut-être leur mobilité. « Ils affichaient des mouvements de type ‘saut’ et ‘marche’ tout en continuant à grandir », explique Ren.

    Alors que certaines bactéries peuvent se propulser à l’aide d’appendices comme les flagelles, les espèces microbiennes de l’étude actuelle sont toutes deux non mobiles. Et différant de toute motilité microbienne connue, les assemblages ont utilisé les hyphes fongiques pour s’ancrer à la surface, puis propulser l’ensemble du superorganisme vers l’avant, transportant les bactéries attachées à travers la surface, dit Koo, « comme des bactéries faisant de l’auto-stop sur les champignons ».

    Les groupements microbiens se sont déplacés rapidement et loin, ont découvert les chercheurs. Sur la surface en forme de dent, l’équipe a mesuré des vitesses de plus de 40 microns par heure, similaires à la vitesse des fibroblastes, un type de cellule du corps humain impliqué dans la cicatrisation des plaies. Au cours des premières heures de croissance, les scientifiques ont observé les assemblages « sautant » de plus de 100 microns à travers la surface. « C’est plus de 200 fois la longueur de leur propre corps », explique Ren, « ce qui les rend encore meilleurs que la plupart des vertébrés, par rapport à la taille du corps. Par exemple, les grenouilles arboricoles et les sauterelles peuvent bondir en avant environ 50 fois et 20 fois la longueur de leur propre corps. , respectivement. »

    Bien que les mécanismes exacts soient inconnus, la capacité des assemblages à « se déplacer au fur et à mesure de leur croissance », selon les chercheurs, a une conséquence claire : elle leur permet de coloniser rapidement et de se propager à de nouvelles surfaces. Lorsque l’équipe de recherche a permis aux assemblages de se fixer et de se développer sur de vraies dents humaines dans un modèle de laboratoire, ils ont découvert une carie dentaire plus étendue en raison d’un biofilm à propagation rapide.

    Traitement des maladies et biologie au sens large

    Parce que ces assemblages se trouvent dans la salive, les cibler tôt pourrait être une stratégie thérapeutique pour prévenir la carie dentaire chez l’enfant, dit Koo. « Si vous bloquez cette liaison ou perturbez l’assemblage avant qu’il n’arrive sur la dent et ne cause des dommages, cela pourrait être une stratégie préventive. »

    Et au-delà des applications pour traiter cette maladie spécifique, selon les chercheurs, les nouvelles découvertes pourraient être applicables à la biologie microbienne en général. Par exemple, les organismes agrégés trouvés dans d’autres fluides biologiques ou écosystèmes aquatiques peuvent de la même manière améliorer la colonisation et la croissance de surface pour provoquer des maladies infectieuses ou une contamination de l’environnement.

    « Nous avons vu que ces deux organismes distincts s’assemblent en une nouvelle entité organique qui confère à chacun des avantages et des fonctions supplémentaires que les cellules individuelles n’avaient pas par elles-mêmes », explique Koo. Les résultats pourraient même éclairer l’évolution du mutualisme et de la multicellularité qui améliorent la survie et la croissance d’organismes uniques lorsqu’ils s’unissent et travaillent ensemble comme une unité dans un environnement donné, note l’équipe.

    « Cette découverte d’un superorganisme » méchant « est vraiment révolutionnaire et imprévue », déclare Knut Drescher de l’Université de Bâle, co-auteur correspondant de l’article. « Personne n’aurait prédit cela. Zhi est tombé dessus par hasard en gardant l’esprit ouvert. »

    Hyun (Michel) Koo est professeur au Département d’orthodontie et dans les divisions de santé bucco-dentaire communautaire et de dentisterie pédiatrique de l’École de médecine dentaire, et cofondateur du Center for Innovation & Precision Dentistry (CiPD) à l’Université de Pennsylvanie .

    Zhi Ren est membre du programme de formation postdoctorale T90 / R90 de l’Institut national de recherche dentaire et craniofaciale Formation avancée à l’interface de l’ingénierie et des sciences oro-craniofaciales au sein de CiPD à la Penn’s School of Dental Medicine et à la School of Engineering & Applied Science. Ren a également été boursier Colgate-Palmolive en dentisterie pédiatrique (2019-21).

    Knut Drescher est professeur associé au Biozentrum de l’Université de Bâle en Suisse.

    Les coauteurs de Koo et Ren sur l’article étaient Aurea Simon-Soro de Penn Dental Medicine, Zhenting Xiang, Yuan Liu et Indira M. Cavalcanti; Hannah Jeckel de Philipps-Universität Marburg; Jin Xiao du centre médical de l’Université de Rochester; Nyi-Nyi Tin et Anderson Hara de l’Université de l’Indiana ; et Knut Drescher de l’Université de Bâle. Ren et Jeckel partageaient la première paternité, et Drescher et Koo étaient co-auteurs correspondants.

    Ce travail a été soutenu en partie par l’Institut national de recherche dentaire et craniofaciale (subventions DE025220 et DE031532), le Budesministerium für Bildung und Forschung (subvention TARGET-Biofilm) et le Conseil européen de la recherche (subvention 716743).

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