Наука

Изследвайки бактериите в устата, учените се надяват да научат тайните на микробиомите | Наука

Ако някога сте си миели зъбите или сте поглъщали вода за уста, те са били в очите ви: стотиците милиарди микроорганизми - предимно бактерии -, които живеят в средната човешка уста. Висящи от твърдото небце, заровени в кътчетата на езика и преплетени в плаката на зъбите, са стотиците видове, които съставляват човешкия микробиом в устата .

За повечето бактериите в устата ви изглеждат до голяма степен неудобство - съществата, смесени заедно в миризлива мачка, които трябва да бъдат почистени с конец, измити или изплакнати, за да поддържате дъха си приятен и венците здраво розови. Но за Джесика Марк Уелч на Морската биологична лаборатория в Уудс Хоул, Масачузетс, и Гари Бориси и Флойд Дюхърст на института Форсайт в Кеймбридж, Масачузетс, оралният микробиом е чудо. Далеч от бърканата бъркотия от клетки, това е разнообразна, подредена екосистема, която може да разкрие по-големи истини за начините, по които микробите взаимодействат помежду си - и как техните взаимодействия влияят върху средата, която обитават.

Схемата на начина, по който микробите се разполагат в устата, може да хвърли светлина върху начините, по които общностите на организмите се организират в различни екосистеми, казват учените: от порите на кухненските гъби до повърхностите в горите на водораслите. Разбирането на повече за микробните правила за ангажираност би могло да помогне на микробиомите да подобрят здравето или, още по-далеч, да помогне за решаването на технологични предизвикателства, като производството на биогориво от стреч.





И разбира се, изследването на оралния микробиом може да изостри разбирането за това как някои бактерии в устата ни поддържат здрави - като ключови участници в нормалния метаболизъм - докато други могат да бъдат замесени в заболявания като заболявания на венците, сърдечни заболявания и рак.

Марк Уелч, Бориси и Дюхърст, който наскоро направи преглед на това, което се знае за географското разпространение на видовете, обитаващи устието в Годишен преглед на микробиологията , са използвали генетичен анализ и флуоресцентно изобразяване за картографиране на микробите - от верижната връзка Стрептококи видове, които виреят на езика до пръчковидна форма Коринебактерии които висят в зъбна плака на всички останали бактерии, които живеят сред тях.



Тяхната работа предполага, че бактериите живеят в общности, които са много по-структурирани, отколкото се смяташе преди. Мисля, че очаквахме повече големи пачки бактерии, казва Марк Уелч. Това, което наистина беше изненада, беше да видим колко организирани са те. Разказва ни много за това как работят заедно.

Това интервю е редактирано за дължина и яснота.

колко подписали декларацията за независимост притежават роби

Джесика, ти си генетик. Гари, ти си клетъчен биолог. Как в крайна сметка изучихте бактериите в устата?



GB: Искахме да изучим микробиоми - общности от бактерии - начините, по които се организират, и защо това има значение.

Устата не беше първото място, което започнахме. Започнахме с разглеждане в естествената среда, микроби в езерце и блато в Woods Hole. Също така взехме проби от създадената от човека среда: доларови банкноти и изметта около тоалетната чиния.

JMW: И това, което намирате върху гъбата в кухненската мивка! Микробиоми има навсякъде и те играят важна роля в екосистемите.

GB: Но разбрахме доста рано, че има голям проблем. Когато събрахме нашите проби, можехме да видим много отделни организми, но всъщност не бяхме сигурни какво гледаме. Базата данни за геномиката за повечето среди беше оскъдна. Никой не беше систематизирал последователно микробите, които виждахме, така че беше трудно да ги идентифицираме, когато ги взехме, а още по-малко да разберем начините, по които са работили заедно за създаването на екосистеми.

И изучаването на устата реши този проблем?

GB: Да. Една от причините да отидем до устата е съществуването на тази превъзходна база данни, която нашият съавтор Флойд Дюирст и колегите му от Форсайт са разработили - Human Oral Microbiome Database, която каталогизира геномите на стотици бактериални видове, открити в устата. Много от организмите, които ще видим, ако започнем да събираме бактерии от устата за нашите изследвания, вече са идентифицирани и култивирани и геномната информация се подготвя - всичко това дава основата за работата по изобразяване, която искаме да направим.

Освен това, от гледна точка на копнежа, изглеждаше по-лесно да вземем пари за подкрепа на тази работа, ако направихме нещо, свързано с хората.

JMW: Друго нещо, което прави устата фантастична среда за изследване, е, че различните микробни съобщества - бактериите, които растат на различните повърхности в устата - са толкова различни една от друга.

И все пак всички са в една и съща уста, изпитват една и съща слюнка, една и съща имунна система, един и същ график на хранене и сън. Вие контролирате много от факторите, които могат да повлияят на общността. Наистина можете да сравните влиянието на повърхностите, върху които живеят, и местоположението им в устата.

И така, какъв е този пейзаж на устата? Кой къде живее?

FD: Проектът за човешки микробиом дефинира девет места в устата - езикът, небцето, сливиците, суб- и над-венечната плака на зъбите, ороговелата гингива, устната лигавица, гърлото и слюнката.

И изненадващо, въпреки че езикът ви докосва покрива на устата ви, ако потъркате Q-tip на което и да е място, мога да ви кажа със 100 процента сигурност коя повърхност току що взехте. Живеещите на езика ви организми са съвсем различна общност от тази на покрива на устата ви.

Защо са толкова различни?

JMW: От гледна точка на бактерията, има значение на каква повърхност живеете. Зъбите са здрави, те винаги са там. Ако можете да се вкорените в тях, няма да бъдете изместени, освен ако някой не ви отблъсне с четка за зъби или нещо подобно. Бактерии като Коринебактерии утаяват калция от слюнката. Смята се, че те се превръщат в онзи камък, който зъболекарят ви остъргва от зъбите ви. Те растат много бавно, но процъфтяват, като се залепват за повърхността си.

Но ако сте на бузите, които се отделят доста често, трябва да се свържете бързо и да растете бързо. Основната граница на продължителността на времето, през което можете да бъдете обвързани с вашата повърхност и да останете в устата, вероятно ще бъде един от факторите, които наистина структурират бактериалната общност. Стрептококи направи добре по бузите. Те са първите, които се появяват, растат бързо и след това продължават.

Езикови бактерии

Бактериите образуват плътен, подреден биофилм върху човешкия език. Тук проба от биофилма разкрива разнообразие от бактерии (показани в различни цветове), растящи рамо до рамо върху сърцевина от мъртви човешки епителни клетки (сиви).(С. Уилбърт и Г. Бориси)

Колко микроба има в устата?

FD: Всъщност не знаем броя на бактериите в средната уста. Но има нещо като 10единадесет[100 милиарда] организма на грам плака - така че разглеждаме голям брой.

Това, за което хората обикновено говорят, е колко видове има там. Проектът за човешки орален микробиом идентифицира малко над 700 различни вида бактерии. (Има и гъбички и вируси.)

Около 400 от 700-те бактериални вида са много по-често срещани при хората от останалите. И ако вземете тампон от бузата и последователност, последователност, последователност, докато не видите всичко, което можете, вероятно ще има някъде между 200 и 300 организма. Те ще бъдат разпределени почти в логаритмична скала, като най-често срещаният организъм съставлява 10 процента от населението, вторият организъм 5 процента, третият само 2 процента и много бързо, докато стигнете до 50-ти, вие сте до 0,1% от населението. Има тази дълга опашка.

Тъй като ядем и пием, приемаме всички останали микроорганизми от планетата. Плискане на морска вода, малко мръсотия по спанака ви. В крайна сметка, ако вземете проби от достатъчно хора, достатъчно пъти, всеки микроорганизъм на планетата може да се появи в устата на някого.

GB: Може да се каже, че устата е почти като отворена канализация, но това може да отнеме твърде далеч. Само някои от организмите наистина се настаняват и живеят там редовно.

JMW: Зъбната плака и повърхността на езика са сред най-плътните микробни местообитания на Земята. Там бактериите са почти стена до стена.

Мислех, че бактериите са това, което е плаката. Има ли други неща там?

JMW: Бактериите отделят неща.

кога беше направен филмът Рудолф, червените носове на северни елени

GB: Нарича се извънклетъчен матрикс или екстраполимерно вещество ...

JMW: Или слуз! Плаката е биофилм - бактериите, прилепнали към повърхността, вградени в матрица, направена от тях. И биофилмите са готини. Бактериите се държат по различен начин в биофилма. Има части от техния метаболизъм, които те включват само в биофилм и са склонни да бъдат по-устойчиви на антибиотици и промени в околната среда. Голяма част от материала в биофилма на зъбните плаки е ДНК, което е интересно. Умират ли бактериите и разпространяват ли своята ДНК навсякъде?

Какво ви накара да започнете да правите флуоресцентни изображения на колониите, образувани от бактериите?

GB: Имахме пропуск в нашето разбиране за организацията на микробиомите. ДНК секвенирането ни даде каталог с бактериални геноми, но имаше голямо ограничение: трябва да смилате пробата си, за да получите ДНК, и в процеса губите цялата пространствена информация - кой е до кого.

Това беше липсващо парче от пъзела за разбиране на микробиомите. Разбрахме, че можем да разработим инструменти за изобразяване, за да видим членовете в местообитанието им възможно най-близо до нормалното им разположение.

Микробиом за зъбни плаки

Проба от зъбна плака крие изненадващо организиран набор от бактериални съобщества, направени видими с помощта на флуоресцентни образни методи, които подчертават различни видове. Тук лилаво оцветените коринебактерии формират основата на специализирана, преплетена структура, наречена таралеж.(J. Mark Welch и G. Borisy)

Защо това е толкова важно?

JMW: Ако можете да видите до кого е бактерията, тогава е по-вероятно да разберете с кого взаимодействат. Това е важно, защото ако искаме да разпознаем какво е нездравословен микробиом - и може би да разберем как да го преместим в по-здравословно състояние - трябва да разберем как бактериите работят заедно. Ако има определен микроб, от когото искате да се отървете, трябва да знаете какво още има до него, като му помагате да расте или е готов да заеме мястото си.

GB: Помислете за часовник (преди да станат цифрови). Имате толкова много извори; имате толкова много колела; имате стъклена повърхност; имате метален гръб; имате няколко бижута. Но как работи часовникът? Наличието на списък с части не е достатъчно. Трябва да знаете как частите си пасват и как едната влияе върху другата. С ДНК секвенирането ни е даден списък с части, но не ни е казано как работят заедно. Ако искате да разберете функцията, трябва да знаете структурата.

Какво показват вашите изображения?

къде се пазел ковчегът на завета

JMW: Големи разлики между структурите и състава на различни части на тази устна екосистема. Например, ако погледнете изображения на зъбни плаки и на микробна общност на езика, те са съвсем различни.

Плаката се характеризира с форма на бактериална общност, която наричаме таралеж, организирана наоколо Коринебактерии (на изображението това са пурпурно-лилавите нишки, които се излъчват от центъра.) Ние смятаме, че Коринебактерии са основата на общността, действайки като коралите в рифа или дъба в гората - създавайки местообитанието, което другите организми след това обитават в характерни позиции. Пръстенът от бактерии, които сме оцветили в зелено, които виждате от външната страна на структурата, са Стрептококи и те остават в аеробната зона, изложени на кислород. Изглежда, че създават зона с ниско съдържание на кислород във вътрешността, която е заета от различни бактерии.

Но ако погледнете микробна общност, изстъргвана от повърхността на езика, ще видите сива сърцевина - мъртви човешки епителни клетки - с други бактерии, образуващи тези много плътни съобщества, които растат навън и се разширяват заедно.

FD: С бактериите в плаката е почти като да вземете пръстите си и да ги преплетете - почти всяка съседна клетка е различен вид. Но на езика имате тези големи парчета син или червен или друг цвят, с клетки, благоприятстващи близостта до клетки от същия вид.

И тази всеобхватна структура има функция в устата, вероятно?

JMW: Нали. Разглеждането на пространствената организация на бактериите в устата ви казва кои микроби са директно прикрепени към гостоприемника и кои имат най-много възможност да взаимодействат с него и неговия метаболизъм.

Знаем, че някои бактерии в устата участват в нашия метаболизъм на нитратите - как приемаме хранителни вещества от храната, което всъщност може да модулира кръвното налягане. Ако консумирате диета, богата на нитрати, богата на зелени листни зеленчуци, това ще намали малко кръвното Ви налягане, но не и ако използвате антисептична вода за уста. Според мен това може да е една от причините - а това може да се случва на крайник - защо ние като домакин позволяваме на бактериите да растат до такава плътност. Имаме причина да им позволим да го направят.

Изследователите се опитват да научат повече за начините, по които микробите са замесени в пародонтоза (заболяване на венците) и кариес (кухини). Честа бактерия в устата, известна като Fusobacterium nucleatum изглежда е замесен в рак на дебелото черво . Известен е сред хората в оралната микробиология, защото се свързва с всичко. Ако е прикрепен към безвреден Стрептококи , той може да избегне имунната система и да влезе в тялото през бузите и вероятно ще попадне в дебелото черво само като бъде погълнат.

GB: Някои бактерии предоставят услуга на гостоприемника, но някои се обръщат срещу нас. Ако пием много захарни напитки, бактериите, които харесват захарта, процъфтяват и произвеждат киселина, която създава кухини. Ако те попаднат в кръвта ни, те могат да причинят сериозно заболяване, като сърдечно-клапни инфекции. Това е като градина. Когато растенията не растат там, където трябва, ние ги наричаме плевели, въпреки че на други места те биха били добре.

JMW: Когато искаме доброволци да ни дадат зъбната си плака, ние ги молим да не си мият зъбите в продължение на 24 или 48 часа, преди да вземем нашите проби - и ние трябва да ги попитаме дали имат клапна сърдечна болест. Може да бъде особено опасно за хората с клапни сърдечни заболявания да оставят тези бактерии да се натрупват в устата им.

Значи да. Тези бактерии могат да ни дадат полза, но могат да наранят и нас ... и ако искаме да се борим с тези патогени, трябва да разберем структурата. Поведението на микроба зависи от това къде се намира. Много пъти се провеждат изследвания върху една бактерия в култура. Но тази бактерия ще действа по различен начин, ако е до друга бактерия. Трябва да учим и двамата заедно, ако наистина искаме да разберем какво правят в дивата природа. Ако разберем кои са едно до друго в различните места на устата, знаем кои да сложим в чашата на Петри.

Учените предполагат, че различните части на устата за известно време имат различни бактериални съобщества. Но хората все още обичат да вземат проби от слюнка за измерване на бактерии в зъбната плака. Това е лесно. Но слюнката е смес от бактерии от различни места в устата и се оказва, че те са предимно езикови бактерии, а не плака. Идеята, че има структура, специфична за местоположението, не е потънала, което е една от причините да искаме да напишем статията.

Къде другаде могат да се стремят учените да разберат по-добре микробните общности в човешкото тяло?

GB: Повечето хора вече гледат червата. Но вероятно всяка част от тялото ще има отличителен микробиом - ухото, носа, пъпа, вагиналния тракт - и интересни структури.

JMW: Опитвам се да обърна това по друг начин, като гледам къде другаде по света - отвъд човешкото тяло - можете да намерите интересни пространствени структури като тези в човешката уста.

Пълен кръг ме върна обратно към морските организми. Водораслите и други макроводорасли в известен смисъл са подобни на устата. Има фиксирана повърхност, която е богата на хранителни вещества и е потопена в течаща вода и която насърчава структурата в общността.

Kelp е екосистемен инженер. Важно е като местообитание за риби и други организми и за регулиране на преноса на азот и въглерод. Интересува ни степента, до която бактериите могат да са необходими за това. Колко действа водораслите сами по себе си и колко са необходими микробите, за да си свършат работата? Анализът на случващото се в човешката уста може да ни доближи до отговор.

ПознаваемТази статия първоначално се появи в Списание Knowable , независимо журналистическо начинание от издател с нестопанска цел Годишни рецензии.




^