Estudiar las bacterias en una placa de Petri o en un tubo de ensayo ha permitido comprender cómo funcionan y, en algunos casos, contribuyen a la enfermedad. Pero este enfoque deja fuera detalles cruciales sobre cómo actúan las bacterias en el mundo real.

Tomando otro enfoque, unos investigadores de la Facultad de Medicina Dental de la Universidad de Pensilvania y del Instituto de Tecnología de Georgia imaginaron las bacterias que causan caries en tres dimensiones en su entorno natural, la pegajosa biopelícula conocida como placa dental que se forma en los dientes de los niños pequeños que se ven afectados por las caries.

El trabajo, publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences, descubrió que el Streptococcus mutans, una de las principales especies bacterianas responsables de la caries dental, está encapsulada en una comunidad protectora de varias capas de otras bacterias y polímeros que forman una organización espacial única asociada con la ubicación de la aparición de la enfermedad.

"Comenzamos con estas muestras clínicas, extrayendo dientes de niños con caries graves", dice Hyun (Michel) Koo de Penn Dental Medicine, un coautor principal de la obra. "La pregunta que surgió en nuestras mentes fue, ¿cómo están organizadas estas bacterias y su arquitectura específica puede decirnos algo sobre la enfermedad que causan?"

Para responder a esta pregunta, los investigadores, entre los que se encontraban el autor principal Dongyeop Kim de Penn Dental Medicine y el coautor principal Marvin Whiteley de Georgia Tech, utilizaron una combinación de microscopía electrónica de barrido y confocal de súper resolución con análisis computacional para diseccionar la disposición de S. mutans y otros microbios del biofilm intacto en los dientes. Estas técnicas permitieron al equipo examinar el biofilm capa por capa, obteniendo una imagen tridimensional de las arquitecturas específicas.

Investigadores de la Universidad de Pensilvania descubrieron que la bacteria responsable de la caries dental se "escuda" bajo mantas de azúcares y otras bacterias en un arreglo similar a una corona, ayudándola a evadir los antimicrobianos y a concentrar sus ácidos dañinos sobre los dientes. (Foto: Dongyeop Kim)

Este enfoque, de entender las ubicaciones y patrones de las bacterias, es uno que Whiteley ha perseguido en otras enfermedades.

"Está claro que identificar los componentes del microbioma humano no es suficiente para entender su impacto en la salud humana", dice Whiteley. "También tenemos que saber cómo están organizados espacialmente. Esto está muy poco estudiado ya que es difícil obtener muestras intactas que mantengan la estructura espacial".

En el trabajo actual, los investigadores descubrieron que los S. mutans en la placa dental aparecían más a menudo de una manera particular: dispuestos en un montículo contra la superficie del diente. Pero no estaban solos. Mientras que S. mutans formaba el núcleo interno de la arquitectura, otras bacterias, como la S. oralis, formaban capas externas adicionales dispuestas con precisión en una estructura similar a una corona. Apoyando y separando estas capas estaba un andamio extracelular hecho de azúcares producidos por S. mutans, encapsulando y protegiendo eficazmente a la bacteria causante de la enfermedad.

"Encontramos esta comunidad altamente ordenada con una densa acumulación de S. mutans en el medio, rodeada por estos 'halos' de diferentes bacterias, y nos preguntamos cómo esto podría causar caries", dice Koo. "

Para aprender más acerca de cómo la estructura impactó en la función del biofilm, el equipo de investigación intentó recrear las formaciones de placa natural en una superficie similar a un diente en el laboratorio, usando S. mutans, S. oralis y una solución de azúcar. Consiguieron hacer crecer la arquitectura en forma de rombo y luego midieron los niveles de ácido y desmineralización asociados a ellas.

"Lo que descubrimos, y lo que fue emocionante para nosotros, es que ciertas áreas coincidían perfectamente con los altos niveles de ácido y desmineralización en la superficie del esmalte", dice Koo. "Esto refleja lo que los médicos ven cuando encuentran caries dental: áreas puntiagudas de descalcificación conocidas como 'puntos blancos'. La estructura en forma de cúpula podría explicar cómo se originan las caries".

En un conjunto final de experimentos, el equipo puso a prueba a la comunidad bacteriana, aplicando un tratamiento antimicrobiano y observando cómo les fue. Cuando las estructuras estaban intactas, las S. mutans en el núcleo interno evitaron en gran medida morir por el tratamiento antimicrobiano. Solo rompiendo el material del andamiaje que mantenía unidas las capas externas, el antimicrobiano pudo penetrar y matar eficazmente las bacterias causantes de la cavidad.

Las conclusiones del estudio pueden ayudar a los investigadores a centrarse más eficazmente en el núcleo patógeno de las biopelículas dentales, pero también tienen implicaciones para otros campos.

"Demuestra que la estructura espacial del microbioma puede mediar la función y el resultado de la enfermedad, lo que podría ser aplicable a otros campos médicos que se ocupan de las infecciones polimicrobianas", dice Koo.

"No es solo qué patógenos están ahí, sino cómo están estructurados, lo cual nos dice sobre la enfermedad que causan", añade Whiteley. "Las bacterias son criaturas muy sociales y tienen amigos y enemigos que dictan su comportamiento".

El campo de la biogeografía microbiana es joven, dicen los investigadores, pero ampliar esta demostración que vincula la estructura de la comunidad con la aparición de la enfermedad abre un amplio abanico de posibilidades para futuros conocimientos médicamente relevantes. (Fuente: NCYT Amazings)