对皮氏培养皿或试管中细菌的研究已深入了解了它们的功能，并在某些情况下助长了疾病。但是这种方法忽略了细菌在现实世界中的行为的关键细节。

宾夕法尼亚大学牙科医学院和佐治亚理工学院的研究人员采用一种转化方法，对在自然环境中导致牙齿腐烂的细菌进行了三维成像，该细菌在婴儿的牙齿上形成了称为牙菌斑的粘性生物膜。受空洞影响。

这项工作发表在《美国国家科学院院刊》上，发现变形链球菌是造成蛀牙的主要细菌，被包裹在其他细菌和聚合物的保护性多层群落中，形成与该位置相关的独特空间组织这种疾病的发作。

“我们从这些临床样品开始，从严重蛀牙的儿童中提取牙齿，”这项研究的共同资深作者，宾夕法尼亚大学牙科医学系的Hyun(Michel)Koo说。“我们想到的问题是，这些细菌是如何组织的，它们的特定结构是否可以告诉我们它们引起的疾病?”

为了解决这个问题，包括Penn Dental Medicine的第一作者Dongyeop Kim和佐治亚理工学院的共同资深作者Marvin Whiteley在内的研究人员将超分辨率共聚焦和扫描电子显微镜与计算分析相结合，以剖析S的排列。牙齿上完整的生物膜的变形菌和其他微生物。这些技术使团队可以逐层检查生物膜，从而获得特定体系结构的三维图片。

Whiteley在其他疾病中一直追求这种了解细菌的位置和模式的方法。

怀特利说：“很明显，仅仅鉴定人类微生物组的成分不足以了解它们对人类健康的影响。”“我们还必须知道它们的空间组织方式。这在很大程度上受到研究，因为要获得保持空间结构的完整样本很困难。”

在当前的工作中，研究人员发现，牙菌斑中的变形链球菌通常以一种特殊的方式出现：排列在土堆上，紧贴牙齿表面。但这并不孤单。而变形链球菌形成圆嘟嘟体系结构的内芯，其它共生细菌，如口腔链球菌，形成精确地布置在crownlike结构附加外层。支持和分离这些层的是由变形链球菌产生的糖制成的细胞外支架，可有效包裹和保护致病细菌。

Koo说：“我们发现了这个高度有序的群落，中间聚集着变形链球菌，这些变异菌被这些细菌的'晕轮'围绕着，并想知道这如何导致牙齿腐烂。””

要了解更多关于结构如何影响生物膜的功能，研究小组试图重新在齿状表面在实验室中利用自然斑块地层变形链球菌，口腔链球菌，以及糖溶液。他们成功地形成了圆形建筑，然后测量了与之相关的酸和脱矿质含量。

Koo说：“我们发现的，令我们兴奋的是，圆形区域与搪瓷表面的脱矿物质和高酸含量完全匹配。”“这反映了临床医生发现龋齿时会看到的东西：被称为“白斑”的脱钙点状区域。圆顶状结构可以解释空腔是如何开始的。”

在最后一组实验中，研究小组对圆形大厅群落进行了测试，进行了抗菌处理并观察了细菌的繁殖情况。当圆形结构完好无损时，内核中的变形链球菌在很大程度上避免了因抗菌处理而死亡。只有将将外层固定在一起的脚手架材料打碎，抗菌剂才能渗透并有效杀死引起蛀牙的细菌。

该研究结果可能有助于研究人员更有效地靶向牙齿生物膜的致病核心，但也可能对其他领域产生影响。

Koo说：“这表明微生物组的空间结构可能介导功能和疾病的结果，这可能适用于其他处理微生物感染的医学领域。”

怀特利补充说：“不仅仅是那里的病原体，还有它们的结构告诉你它们引起的疾病。”“细菌是高度社交的生物，并有决定其行为的朋友和敌人。”

研究人员说，微生物生物地理学领域还很年轻，但是扩展这种将社区结构与疾病发作联系起来的论证，为将来的医学相关见解提供了广泛的可能性。

Dongyeop Kim是Penn's牙科医学院正畸学系的研究助理，现在是全北国立大学(韩国)的助理教授。

Hyun(Michel)Koo是宾夕法尼亚州口腔医学院牙正畸学系的教授，位于社区口腔健康和儿科牙科部门。

Marvin Whiteley是生物科学教授，佐治亚理工学院Bennie H.和Nelson D. Abell分子和细胞生物学系主任，以及佐治亚理工学院Emory-Children CF中心的佐治亚研究联盟杰出学者联合主任。

Koo，Kim和Whiteley的合著者是Penn Dental Medicine的Rodrigo A. Arthur，Yuan Liu，Elizabeth L. Scisci和Evlambia Hajishengallis;佐治亚理工学院的Juan P.Barraza;印第安纳大学的安德森·哈拉和卡尔·刘易斯。

这项工作得到了美国国家牙科和颅面研究所的部分支持(拨款DE025220，DE018023，DE020100和DE023193)。