Signalisation bactérienne

Aperçu

Parfois, un groupe de bactéries se comporte comme une communauté. Pour ce faire, elles se lancent dans la détection du quorum, la perception d’une densité cellulaire plus élevée qui entraîne un changement dans l’expression des gènes. La détection du quorum implique à la fois la signalisation extracellulaire et intracellulaire. La cascade de signalisation commence par une molécule appelée autoinducteur (AI). Les bactéries individuelles produisent des AI qui sortent de la membrane cellulaire bactérienne dans l’espace extracellulaire. Les AI peuvent se déplacer passivement le long d’un gradient de concentration hors de la cellule, ou être activement transportés de l’autre côté de la membrane bactérienne.

La concentration extracellulaire des AI donne des signaux aux bactéries

Lorsque la densité cellulaire des populations bactériennes est faible, les AI se diffusent loin des bactéries, en gardant la concentration d’AI dans le milieu environnant faible. À mesure que les bactéries se répliquent et continuent d’excréter des AI, la concentration en AI augmente, atteignant finalement un seuil de concentration. Ce seuil permet aux AI de se lier à des récepteurs membranaires sur les bactéries, déclenchant des changements au niveau de l’expression des gènes dans toute la communauté bactérienne.

La coloration de Gram

De nombreuses bactéries sont classées de façon générale en tant que Gram positives ou Gram négatives. Ces termes se réfèrent à la couleur que prennent les bactéries lorsqu’elles sont traitées avec une série de solutions de coloration qui ont été mises au point par Hans Christian Joachim Gram il y a plus d’un siècle. Si les bactéries prennent une couleur violette, elles sont Gram positives ; si elles ont l’air rouges, elles sont Gram négatives. Les bactéries prennent ces teintes de couleur en raison des différences dans la chimie de leurs parois cellulaires. La composition différente des parois cellulaires bactériennes détermine la façon dont les bactéries interagissent les unes avec les autres ainsi qu’avec leur environnement et elles sont souvent directement impliquées dans la cause d’une maladie. Par exemple, les parois cellulaires des bactéries Gram négatives sont principalement faites de lipopolysaccharide, également connu sous le nom d’endotoxine, qui provoque un choc septique dans le sang d’un patient.

Détection du quorum chez les bactéries Gram positives et Gram négatives

Chez les bactéries Gram positives, la détection du quorum se produit le plus souvent en deux étapes. Tout d’abord, l’AI, un peptide autoinducteur (PAI), se lie à un récepteur membranaire lorsque la concentration externe est suffisamment élevée. La liaison active des enzymes internes, que l’on appelle des kinases de second messager qui phosphorylent les facteurs de transcription. Les facteurs de transcription régulent alors l’expression de différents gènes.

Dans le cas de nombreuses bactéries Gram négatives, cependant, la détection du quorum a lieu au cours d’un processus en une seule étape. Lorsque la concentration externe des AI atteint le seuil, l’AI traverse la membrane (via un transporteur) et réintègre la cellule. Une fois à l’intérieur, il peut interagir directement avec les facteurs de transcription pour réguler l’expression des gènes. Ce type de signalisation ne nécessite pas d’intermédiaire ni de second messager. L’AI est lui-même le messager. Cependant, même sans un second messager, la signalisation intracellulaire peut être compliquée.

La signalisation dans une bactérie qui produit de la lumière

Un exemple de ceci est la bactérie Photorhabdus luminescens, qui est Gram négative. Elle produit l’autoinducteur 2 (AI-2) comme signal de détection du quorum et comme signal intracellulaire. Les bactéries libèrent AI-2 dans le milieu environnant. Lorsque AI-2 atteint les niveaux du seuil en dehors des cellules bactériennes, AI-2 se lie à un transporteur ABC (ATP binding cassette) sur la membrane bactérienne, et il est ré-assimilé par le transporteur ABC. Puis, une kinase intracellulaire, LsrK, phosphoryle AI-2 lui-même. Une fois activé de cette façon, AI-2 peut lui-même fonctionner comme un facteur de transcription, activant les gènes qui codent l’enzyme luciférase. La luciférase produit de la lumière lorsqu’elle catalyse des réactions précises. Ainsi, ce n’est que lorsque la population de Photorhabdus luminescens atteint une densité cruciale qu’on observe sa bioluminescence. Il a été suggéré que cette bactérie était responsable de la lueur bleu-vert qui a été vue dans les blessures de certains soldats de la guerre civile américaine après la bataille de Shiloh.

La signalisation du quorum et les infections bactériennes de dispositifs médicaux implantés

La propagation des bactéries à travers la surface des implants médicaux se produit par la signalisation du quorum et peut provoquer des infections potentiellement mortelles. De nombreuses recherches sont en cours, afin de trouver des moyens d’arrêter la formation de biofilms bactériens dans les dispositifs médicaux. Une grande partie de cette recherche se concentre sur le développement de nouveaux matériaux qui ne se prêtent pas à la croissance bactérienne. Cependant, des composés biologiques, y compris des substances produites par certains types de bactéries, sont également étudiés pour leurs propriétés d’inhibition bactérienne.