Forschung zeigt: Bakterien im menschlichen Mund vermehren sich durch seltene Form der Zellteilung

Eines der vielfältigsten Ökosysteme der Welt ist näher, als Sie denken – direkt in Ihrem Mund. Ihr Mund ist ein blühendes Ökosystem mit mehr als 500 verschiedenen Bakterienarten, die in unterschiedlichen, strukturierten Gemeinschaften, sogenannten Biofilmen, leben. Fast alle dieser Bakterien wachsen durch Aufspaltung [or dividing] in zwei Teile, wobei aus einer Mutterzelle zwei Tochterzellen entstehen.

Neue Forschungsergebnisse des Marine Biological Laboratory (MBL) und ADA Forsyth haben einen außergewöhnlichen Mechanismus der Zellteilung bei Corynebacterium matruchotii aufgedeckt, einem der am häufigsten in Zahnbelag vorkommenden Bakterien. Das filamentöse Bakterium teilt sich nicht nur, sondern spaltet sich gleichzeitig in mehrere Zellen auf, ein seltener Prozess, der als Mehrfachspaltung bezeichnet wird. Die Forschung ist veröffentlicht In Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.

Das Team beobachtete, wie sich C. matruchotii-Zellen je nach Länge der ursprünglichen Mutterzelle in bis zu 14 verschiedene Zellen gleichzeitig teilten. Diese Zellen wachsen auch nur an einem Pol des Mutterfilaments – eine sogenannte „Spitzenverlängerung“.

C. matruchotii-Filamente fungieren als Gerüst im Zahnbelag, einem Biofilm. Zahnbelag ist nur eine mikrobielle Gemeinschaft innerhalb einer riesigen Population von Mikroorganismen, die in einem gesunden menschlichen Körper leben und mit ihm koexistieren – eine Umgebung, die als „menschliches Mikrobiom“ bezeichnet wird.

Diese Entdeckung gibt Aufschluss darüber, wie sich diese Bakterien vermehren, mit anderen Bakterien um Ressourcen konkurrieren und ihre strukturelle Integrität in der komplexen Umgebung des Zahnbelags aufrechterhalten.

„Riffe haben Korallen, Wälder haben Bäume und der Zahnbelag in unserem Mund enthält Corynebacterium. Die Corynebacterium-Zellen im Zahnbelag sind wie ein großer, buschiger Baum im Wald; sie schaffen eine räumliche Struktur, die den Lebensraum für viele andere Bakterienarten um sie herum bietet“, sagte die Co-Autorin der Studie, Jessica Mark Welch, leitende Wissenschaftlerin bei ADA Forsyth und außerordentliche Wissenschaftlerin am MBL.

„Diese Biofilme sind wie mikroskopische Regenwälder. Die Bakterien in diesen Biofilmen interagieren, während sie wachsen und sich teilen. Wir glauben, dass der ungewöhnliche Zellzyklus von C. matruchotii es dieser Art ermöglicht, diese sehr dichten Netzwerke im Kern des Biofilms zu bilden“, sagte Scott Chimileski, MBL-Forscher und Hauptautor des Artikels.

Der mikrobielle Wald

Diese Forschung baut auf einer Arbeit aus dem Jahr 2016 auf, in der eine am MBL entwickelte Bildgebungstechnik namens CLASI-FISH (Combinatorial Labeling and Spectral Imaging Fluorescent In Situ Hybridization) verwendet wurde, um die räumliche Anordnung von Zahnbelag gesunder Spender zu visualisieren.

In dieser früheren Studie wurden Bakterienkonsortien im Zahnbelag abgebildet, die aufgrund ihres Aussehens „Igel“ genannt werden. Eine der wichtigsten Erkenntnisse aus dieser ursprünglichen Arbeit war, dass filamentöse C. matruchotii-Zellen als Grundlage der Igelstruktur dienten.

Die vorliegende Studie befasste sich eingehender mit der Biologie von C. matruchotii und untersuchte mithilfe von Zeitraffermikroskopie, wie die filamentösen Zellen wachsen. Anstatt nur eine Momentaufnahme dieses mikrobiellen Regenwalds zu machen, konnten die Wissenschaftler die bakterielle Wachstumsdynamik des Miniatur-Ökosystems in Echtzeit abbilden. Sie sahen, wie diese Bakterien miteinander interagieren, den Raum nutzen und – im Fall von C. matruchotii – die unglaubliche Art und Weise, wie sie wachsen.

„Um herauszufinden, wie all die verschiedenen Bakterienarten im Plaque-Biofilm zusammenarbeiten, müssen wir die grundlegende Biologie dieser Bakterien verstehen, die nirgendwo anders als im menschlichen Mund leben“, sagte Mark Welch.

Zahnärzte empfehlen, die Zähne zweimal täglich zu putzen (und damit auch Zahnbelag zu entfernen). Doch dieser Biofilm kommt immer wieder zurück, egal wie sorgfältig man putzt. Durch Extrapolierung von Zellverlängerungsexperimenten, die in Mikrometern pro Stunde gemessen wurden, fanden die Wissenschaftler heraus, dass Kolonien von C. matruchotii bis zu einem halben Millimeter pro Tag wachsen können.

Andere Corynebacterium-Arten kommen auch anderswo im menschlichen Mikrobiom vor, beispielsweise auf der Haut und in der Nasenhöhle. Die Corynebacterium-Arten in Haut und Nase sind jedoch kürzere, stäbchenförmige Zellen, von denen nicht bekannt ist, dass sie sich durch Verlängerung der Spitze verlängern oder sich durch Mehrfachteilung teilen.

„Etwas an diesem sehr dichten, konkurrenzbetonten Lebensraum des Zahnbelags könnte die Evolution dieser Wachstumsart vorangetrieben haben“, sagte Chimileski.

Exploratives Wachstum

C. matruchotii fehlen Flagellen, die Organellen, die es Bakterien ermöglichen, sich fortzubewegen. Da diese Bakterien nicht schwimmen können, glauben Forscher, dass ihre einzigartige Streckung und Zellteilung eine Möglichkeit für sie sein könnte, ihre Umgebung zu erkunden, ähnlich den Myzelnetzwerken, die man bei Pilzen und Streptomyces-Bakterien sieht, die im Boden leben.

„Wenn diese Zellen die Fähigkeit haben, sich bevorzugt in Richtung Nährstoffe oder anderer Spezies zu bewegen und so vorteilhafte Interaktionen zu bilden, könnte uns das helfen zu verstehen, wie die räumliche Organisation von Plaque-Biofilmen zustande kommt“, sagte Chimileski.

„Wer hätte gedacht, dass unser vertrauter Mund eine Mikrobe beherbergt, deren Fortpflanzungsstrategie in der Bakterienwelt praktisch einzigartig ist“, sagte Co-Autor Gary Borisy, leitender Forscher bei ADA Forsyth und ehemaliger Direktor des Marine Biological Laboratory. „Die nächste Herausforderung besteht darin, die Bedeutung dieser Strategie für die Gesundheit unseres Mundes und unseres Körpers zu verstehen.“