研究显示人类口腔细菌通过罕见的细胞分裂方式繁殖
地球上最多样化的生态系统之一比你想象的更近——就在你的口腔内。你的口腔是一个蓬勃发展的生态系统，有超过 500 种不同的细菌生活在独特的结构化群落中，这些群落被称为生物膜。几乎所有这些细菌都是通过分裂 [或分裂] 成两个来生长的，一个母细胞产生两个子细胞。海洋生物实验室 (MBL) 和 ADA Forsyth 的最新研究发现了牙菌斑中最常见的细菌之一——棒状杆菌的细胞分裂机制。这种丝状细菌不仅会分裂，还会一次分裂成多个细胞，这种罕见的过程被称为多重分裂。这项研究发表在《美国国家科学院院刊》上。
研究小组观察到 C. matruchotii 细胞一次最多分裂成 14 个不同的细胞，具体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”。
C. matruchotii 丝状体在牙菌斑（一种生物膜）内充当支架。牙菌斑只是生活在健康人体内并与人体共存的庞大微生物群落中的一个微生物群落——这种环境被称为“人体微生物群”。
丝状细菌麦特鲁霍特棒状杆菌一次分裂成多个细胞，这是一种罕见的细胞分裂，称为多重分裂。麦特鲁霍特棒状杆菌是人类牙菌斑中最常见的细菌之一。图片来源：Scott Chimileski，MBL。参见 Chimileski 等人 (2024)，PNAS。
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以及保持其结构完整性。
“珊瑚礁中有珊瑚，森林中有树木，而我们口腔中的牙菌斑中有棒状杆菌。牙菌斑中的棒状杆菌细胞就像森林中一棵茂密的大树；它们形成了一种空间结构，为周围许多其他细菌物种提供了栖息地，”论文合著者、ADA Forsyth 高级科学家兼 MBL 兼职科学家 Jessica Mark Welch 说道。
“这些生物膜就像微型雨林。这些生物膜中的细菌在生长和分裂时会相互作用。我们认为，不寻常的 C. matruchotii 细胞周期使该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、论文主要作者 Scott Chimileski 说。
微生物森林
这项研究以2016 年的一篇论文为基础，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，以可视化从健康捐赠者收集的牙菌斑的空间组织。
这项早期研究对牙菌斑内的细菌群落进行了成像，这些细菌群落因其外观而被称为“刺猬”。该原始论文的主要发现之一是丝状 C. matruchotii 细胞是刺猬结构的基础。
本研究对 C. matruchotii 的生物学进行了更深入的研究，使用延时显微镜研究丝状细胞的生长方式。科学家们不仅捕捉到了这个微生物雨林的快照，还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如何相互作用、如何利用空间，以及——就 C. matruchotii 而言——它们令人难以置信的生长方式。
马克·韦尔奇说：“要弄清楚各种细菌如何在牙菌斑生物膜中协同工作，我们必须了解这些细菌的基本生物学特性，它们只生活在人类口腔中。”
牙医建议每天刷牙两次（从而清除牙菌斑）。然而，无论你多么勤奋地刷牙，这种生物膜都会重新出现。通过以微米/小时为单位测量的细胞伸长实验推断，科学家发现 C. matruchotii 菌落每天可以生长半毫米。
人类微生物群中还发现了其他种类的棒状杆菌，例如皮肤和鼻腔内。然而，皮肤和鼻腔棒状杆菌种类较短，呈杆状，尚不清楚它们是否会通过尖端延伸而伸长，也不会通过多次分裂而分裂。
奇米莱斯基说：“牙菌斑这种非常密集、竞争激烈的栖息地可能推动了这种生长方式的演变。”
牙菌斑中最常见的细菌之一——棒状杆菌群落。图片来源：海洋生物实验室的 Scott Chimileski。参见 Chimileski 等人，PNAS，2024 年。
探索性增长
C. matruchotii 缺乏鞭毛，鞭毛是细菌移动的细胞器。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其探索周围环境的一种方式，类似于生活在土壤中的真菌和链霉菌中的菌丝网络。
“如果这些细胞能够优先向营养物质或其他物种移动以形成有益的相互作用 - 这可以帮助我们了解牙菌斑生物膜的空间组织是如何形成的，”Chimileski说。
“谁会想到我们熟悉的口腔中竟然隐藏着一种微生物，其繁殖策略在细菌世界中几乎是独一无二的，”论文合著者、ADA Forsyth 首席研究员、海洋生物实验室前主任 Gary Borisy 说道。“下一个挑战是了解这种策略对于我们口腔和身体健康的意义。”
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