Odemčení tajemství ústních bakterií k boji proti zubnímu kazu

Pokud má Wenjun Zhang svou cestu, nikdo se nikdy nebude muset znovu čistit ani nit.

Zhang, profesor chemického a biomolekulárního inženýrství UC Berkeley, se snaží odlišit zdravé bakterie v našich ústech od nezdravých bakterií – ty, které způsobují dutiny – aby mohla posílit část prvního a propagovat probiotické orální ústní mikrobiom.

Mikrobiom našeho úst se skládá ze stovek různých druhů bakterií, z nichž mnohé tvoří komunitu, která se drží zubů a vytváří plak. Předchozí studie se zaměřily na to, které z těchto druhů jsou spojeny s dutinami, a produkují kyselinu, která se jí na zubní sklovině. Vědci však zjistili, že každý druh není rovnoměrně dobrý nebo špatný – jednotlivé druhy mohou mít stovky různých odrůd, nazývaných kmeny, které se liší v jejich kvalitách podporujících dutinu.

Namísto zaměření na druhy nebo kmeny, Zhang a její tým skenují DNA sekvence všech bakterií v ústech – metagenom – při hledání shluků genů spojených s dutinami.

V příspěvku zveřejněném 19. srpna v časopise Sborník Národní akademie vědOna a její kolegové hlásili objev jednoho takového genového shluku, který produkuje dvě molekuly, které společně pomáhají komunitě bakterií v ústech – dobré a špatné – držte se dohromady a vytvářejí na zubech silný biofilm.

Našli tento genový klastr v některých, ale ne všechny kmeny několika známých špatných herců v ústech, včetně Streptococcus mutans – Hlavní darebák v zubním kazu. Zhang vidí příležitost zadržet tento genový shluk do dobrých bakterií, aby jim pomohl lépe připojit zuby a vytlačit bakterie produkující kyseliny, které připravují cestu pro dutiny.

Konkrétní kmeny patřící ke stejnému druhu mohou být patogen nebo komensal nebo dokonce probiotický. Poté, co lépe porozumíme aktivitě těchto molekul a jak mohou podporovat silnou tvorbu biofilmu, můžeme je představit dobrým bakteriím, aby dobré bakterie nyní mohly tvořit silné biofilmy a překonat všechny špatné. “

Wenjun Zhang, profesor chemického a biomolekulárního inženýrství, UC Berkeley

Práce byla podporována Národním institutem pro zubní a kraniofaciální výzkum Národních zdravotnických ústavů (R01DE032732).

„Specializovaný“ metabolismus

Klastr genu byl objeven prohledáváním online databáze velkého počtu metagenomických sekvencí mikrobiálních komunit v ústech lidských dobrovolníků. Postgraduální student Berkeley McKenna Yao provedl statistickou analýzu k identifikaci klastrů spojených s orálním onemocněním a poté kultivoval bakterie, aby analyzoval a identifikoval metabolity produkované těmito klastry.

Metabolity jsou malé molekuly složené z krátkých pramenů aminokyselin – peptidů – a mastných kyselin nebo lipidů. Jedna molekula pracuje jako lepidlo, pomáhá buňkám shlukovat se do kuliček, zatímco druhá působí spíše jako řetězec a nechává je vytvářet řetězy. Společně dávají bakteriím schopnost stavět komunity – lepkavou látku na vašich zubech – místo toho, aby se vznášely samotné.

Nový shluk genu obsahuje asi 15 segmentů DNA kódujících proteiny, enhancery a transkripční faktory, které působí jako samostatná metabolická kazeta – alternativní metabolická cesta, která není nezbytná pro přežití bakterií, ale které Zhang zjistil, má velký dopad na okolní prostředí, jako je zuby. Tyto genové klastry jsou někdy označovány jako sekundární metabolismus mikrobů, ale Zhang preferuje termín „specializovaný“, protože mohou produkovat zajímavé molekuly. Specializované metabolické sítě v půdních bakteriích se například ukázaly jako úrodný zdroj antibiotik.

„Tyto specializované metabolity zvyšují přežití určitým způsobem,“ řekl Yao, jeden ze tří postgraduálních studentů Berkeley, který přispěl k práci a jsou prvními autory příspěvku. „Mnoho z nich je například antibiotika, takže mohou zabít další chyby, nebo jiní jsou zapojeni do získávání kovů – pomáhají bakteriím monopolizovat zdroje v jejich environmentálním výklenku. Schopnost je vytvořit, zejména v mikrobiální komunitě, pomáhá bakteriím zavést druhého chlapa a hlídat jejich zdroje.“

Úloha specializovaných metabolických sítí a sekundárních metabolitů v lidském mikrobiomu však do značné míry zůstala nestabinována, řekl Zhang. Před dvěma lety ona a její kolegové našli genový shluk v perorálních bakteriích, který produkuje dříve neznámé antibiotikum. Našli další genový klastr, který produkoval jinou sadu lepkavých molekul, které pomáhají vytvářet biofilmy.

Nově hlášený genový klastr je další demonstrací důležitosti sekundárních metabolitů mikrobiomu v lidském zdraví, ať už v ústech, střevech, kůži nebo jakémkoli orgánu. Pochopení těchto lepkavých metabolitů v ústech, nazývané mutanoclumpiny, by mohlo pomoci snížit dutiny.

„Hledáme něco, co koreluje s dutinami, s onemocněním. Pokud jednoho dne můžeme prokázat, že za určitých podmínek je to opravdu špatná molekula, které chcete zabránit, mohli bychom vyvinout genetické nebo chemické inhibitory, aby inhibovaly jejich produkci, takže doufejme, že bakterie neudělá, a máte méně dutin,“ řekl Zhang. „Mezitím se také podíváme na jiné molekuly korelované se zdravím, což umožňuje jednoduché strategii přímo vytvořit mikroby, aby z nich vydělala více.“

Jeden druh bakterií, který by mohl využít podporu, je Streptococcus Salivariuskterý se zdá, že podporuje zdraví ústní dutiny a je v současné době prodáván jako ústní probiotika. Bohužel, i když se ukáže jako probiotické, netvoří silný biofilm, který se drží zubů a rychle se rozptyluje. Zhang navrhuje přidat silné molekuly vytvářející biofilmy S. Salivarius Chcete -li zjistit, zda bakterie mohou fungovat lépe jako probiotika.

„Naší budoucí prací bude vytvořit širokou mapu sbírky těchto specializovaných metabolitů, aby se kolektivně podívala na to, co tato dynamická, komplexní komunita na vašich zubech vytváří,“ řekl Zhang.

Yao však poznamenal, že „nejlepším způsobem, jak můžete odstranit biofilm na zubech, je kartáčování. Věříme, že ve skutečnosti existuje lepší způsob, jak narušit tento biofilm, ale začínáme jen chápat, jaká složitost je v ústech.“

Nicholas Zill a Colin Charles Barber jsou prvními spoluautory s Yao. Dalšími spoluautory jsou Yongle du, Rui Zhai, Eunice Yoon a Dunya Al Marzooqi z Berkeleyho oddělení chemického a biomolekulárního inženýrství a Peijun Lin, hostující student na College of Computeting, Data Science a Society.