PNAS：人类口腔细菌通过罕见的细胞分裂繁殖

　　

地球上最多样化的生态系统之一比你想象的更近——就在你的嘴里。你的口腔是一个繁荣的生态系统，有500多种不同的细菌生活在不同的结构群落中，称为生物膜。几乎所有这些细菌都是通过分裂成两个细胞来生长的，一个母细胞产生两个子细胞。

海洋生物实验室(MBL)和ADA Forsyth的一项新研究揭示了matruchoti棒状杆菌的一种非凡的细胞分裂机制，棒状杆菌是生活在牙菌斑中最常见的细菌之一。丝状细菌不只是分裂，它会同时分裂成多个细胞，这种罕见的过程被称为多重裂变。这项研究本周发表在《美国国家科学院院刊》上。

研究小组观察到C. matruchotii细胞一次分裂成多达14个不同的细胞，这取决于原始母细胞的长度。这些细胞也只在母丝的一极生长，这被称为“尖端延伸”。

牙菌斑是一种生物膜，其菌丝在牙菌斑内起支架作用。牙菌斑只是与健康人体共存的巨大微生物群中的一个微生物群落——一个被称为“人类微生物群”的环境。这一发现揭示了这些细菌如何在复杂的牙菌斑环境中增殖，与其他细菌竞争资源，并保持其结构完整性。

“珊瑚礁里有珊瑚，森林里有树木，我们嘴里的牙菌斑里有棒状杆菌。牙菌斑中的棒状杆菌细胞就像森林中茂密的大树;他们创造了一个空间结构，为周围的许多其他种类的细菌提供了栖息地，”论文的合著者杰西卡·马克·韦尔奇说，她是ADA Forsyth的高级科学家和MBL的兼职科学家。

“这些生物膜就像微观的雨林。这些生物膜中的细菌在生长和分裂时相互作用。我们认为不寻常的C. matruchotii细胞周期使这个物种能够在生物膜的核心形成这些非常密集的网络，”MBL研究科学家和论文的主要作者Scott Chimileski说。

微生物森林

这项研究建立在2016年的一篇论文的基础上，该论文使用了MBL开发的一种名为CLASI-FISH(组合标记和光谱成像荧光原位杂交)的成像技术，以可视化从健康供体收集的牙菌斑的空间组织。这项早期的研究对牙菌斑内的细菌联合体进行了成像，由于它们的外观被称为“刺猬”。原始论文的主要发现之一是丝状C. matruchotii细胞是hedgehog结构的基础。

本研究更深入地研究了C. matruchotii的生物学，使用延时显微镜研究丝状细胞是如何生长的。科学家们不仅仅是捕捉到这个微生物雨林的快照，而是能够实时成像微型生态系统的细菌生长动态。他们看到了这些细菌是如何相互作用的，如何利用空间的，以及——以C. matruchotii为例——它们以令人难以置信的方式生长。

“为了弄清楚所有不同种类的细菌是如何在牙菌斑生物膜中协同工作的，我们必须了解这些细菌的基本生物学，这些细菌只生活在人类的口腔中，”马克·韦尔奇说。

牙医建议每天刷牙两次(这样可以刷掉牙菌斑)。然而，无论你多么努力地刷牙，这层生物膜都会回来。通过以每小时微米为单位的细胞伸长实验推断，科学家们发现，C. matruchotii菌落每天可以长到半毫米。

其他种类的棒状杆菌存在于人体微生物群的其他地方，如皮肤和鼻腔内。然而，皮肤和鼻棒状杆菌种类是较短的杆状细胞，不知道通过尖端延伸延长或通过多次裂变分裂。

奇米莱斯基说:“牙菌斑非常密集、竞争激烈的栖息地可能推动了这种生长方式的进化。”

探索性的增长

C. matruchotii缺乏鞭毛，鞭毛是允许细菌移动的细胞器。由于这些细菌不能游泳，研究人员认为其独特的伸长和细胞分裂可能是它探索环境的一种方式，类似于生活在土壤中的真菌和链霉菌细菌的菌丝网络。

Chimileski说:“如果这些细胞有能力优先向营养物质或其他物种移动，形成有益的相互作用，这将有助于我们了解斑块生物膜的空间组织是如何产生的。”

“谁能想到，我们熟悉的口腔里会有一种微生物，它的繁殖策略在细菌世界中几乎是独一无二的，”共同作者加里·博西说，他是ADA福赛斯研究所的首席研究员，也是海洋生物实验室的前主任。“下一个挑战是了解这种策略对我们口腔和身体健康的意义。”