Definicja

Quorum sensing (QS) definiuje się jako sposób „wyczuwania liczebności”, „porozumiewania się” między sobą bakterii. Za przeniesienie informacji odpowiadają małe cząsteczki sygnalizacyjne, będące (auto)induktorami. Zsynchronizowana odpowiedź bakterii zachodzi po przekroczeniu określonego stężenia progowego specyficznego dla danego gatunku/szczepu bakterii induktora. W efekcie dochodzi do skoordynowanej zmiany ekspresji genów i współdziałania całej populacji bakterii.

Jak to się zaczęło?

Za odkrywców QS uważa, się naukowców: Nelson’a i Hastings’a, którzy o swoich badaniach poinformowali świat nauki w 1979 roku. Badali oni dwie bioluminescencyjne bakterie: Vibrio fisheri oraz Vibrio harlveyi. Okazało się, że te bakterie posiadają zdolność emitowania światła, gdy żyją w organizmach morskich: kałamarnicy Euprymna scopoles oraz ryby Monocentris japonicus. Dalsze badania pozwoliły określić, że bioluminescencja u tych bakterii jest możliwa dzięki małym cząsteczkom autoinduktorów, po przekroczeniu stężenia progowego. Poniżej którego nie dochodzi do ekspresji genów odpowiedzialnych za emisję światła.

Charakterystyka QS

Zjawisko quorum sensing może zachodzić zarówno w obrębie jednego gatunku, jak i pomiędzy różnymi czasem bardzo odległymi ewolucyjnie organizmami. Przekaz informacji zachodzi pomiędzy nimi z wykorzystaniem specyficznych cząstek sygnałowych, które można porównać do słów w trakcie porozumiewania się ludzi. Kluczowym momentem jest uzyskanie w środowisku progowego stężenia induktora. Wtedy wyzwalana jest odpowiedź organizmów poprzez zmianę ekspresji genów w określonym kierunku np.: wirulencji, bioluminescencji, koniugacji, tworzenia biofilmów, czy ruchliwości. Induktory są syntetyzowane konstytutywnie i pozwala to bakteriom np. na nieujawnienie swojej patogenności i nie wzbudzanie odpowiedzi immunologicznej.

Zakres powszechności QS

Poszczególny grupy organizmów wytworzyły odrębne systemy komunikacji. Obserwuje się inne cząstki sygnałowe u bakterii gram-ujemnych, inne u bakterii gram-dodatnich, a jeszcze inne u grzybów niższych. Zdaniem czołowych badaczy zjawiska QS każdy organizm żywy porozumiewa się przy jego udziale. Przy czym każdy z nich może wytwarzać różne rodzaje induktorów.

QS u bakterii Gram-ujemnych

System QS u bakterii gram-ujemnych oparty jest na acylowanych laktonach homoserynowych. Elementem obligatoryjnym cząsteczki jest lakton homoseryny (HSL), do którego przyłączona zostaje reszta kwasu tłuszczowego (od 4 do 18 atomów węgla). Łańcuch ten nadaje specyficzność cząsteczce względem receptorów. Cząsteczki z przyłączonym łańcuchem bocznym o długości 4-6 at. C dyfundują biernie przez ścianę bakteryjną, zaś obdarzone dłuższym łańcuchem bocznym przenoszone na drodze transportu aktywnego.

QS u bakterii Gram-dodatnich

U bakterii gram-dodatnich stwierdzono obecność całkowicie innego mechanizmu przekazywania sygnałów. Cząsteczkami sygnałowymi są zmodyfikowane oligopeptydy. U tej grupy bakterii w procesie QS regulowane jest np. nabywanie kompetencji do pobierania egzogennego DNA, sporulacja, czy wirulencja.

QS u innych organizmów

QS obserwuje się również u innych organizmów takich jak grzyby (np. z rodzaju Aspergillus gdzie funkcję induktora pełnią butyrylolaktony), mrówki, pszczoły, a nawet u ludzi (feromony). Łatwo zauważyć, że w środowisku jest olbrzymia ilość informacji przekazywanych pomiędzy organizmami. Otwiera to olbrzymi potencjał badawczy i aplikacyjny.

Znaczenie aplikacyjne

W przyszłości QS może umożliwić stworzenie nowej generacji leków, które blokowały by sygnały wysyłane pomiędzy organizmami, a tym samym uniemożliwiały uruchomienie procesów patogenezy, czy produkcji egzotoksyn. Jest to obiecująca alternatywa w zwalczaniu drobnoustrojów wykazujących oporność wielolekową. Obecnie bakterie Vibrio fisheri i ich zdolność do bioluminescencji jest wykorzystywana w systemach Microtox do oceny toksyczności próbek.

Rada starszego kolegi

- Podczas nauki warto zwrócić uwagę na różnice pomiędzy występowaniem różnych induktorów zjawiska quorum sensing u różnymi grup organizmów. Temat wydaje się być bardzo przyjemny, z czym się zgodzę, natomiast lepiej go nie lekceważyć. Często w przypadku interesującego tematu skupiam się na ogólnym mechanizmie i ciekawostkach, w efekcie czego nie zwracam uwagi na istotne kwestie, których znajomość jest wymagana w pytaniach egzaminacyjnych. – dodał Marcin Szklarczyk student biotechnologii z Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej.

Materiał wideo tutaj.