6.2: Segnalazione batterica

Panoramica

A volte, un gruppo di batteri si comporta come una comunità. Per raggiungere questo obiettivo, si impegnano nel "quorum sensing", la percezione di una maggiore densità cellulare che si traduce in uno spostamento nell'espressione genica. Il rilevamento del quorum comporta la segnalazione extracellulare e intracellulare. La cascata di segnalazione inizia con una molecola chiamata autoindottore (AI). I singoli batteri producono AI che si spostano dalla membrana cellulare batterica nello spazio extracellulare. Gli AI possono muoversi passivamente lungo un gradiente di concentrazione fuori dalla cellula, o essere attivamente trasportati attraverso la membrana batterica.

La concentrazione extracellulare delle molecole AI dà segnali ai batteri

Quando la densità cellulare nelle popolazioni batteriche è bassa, le AI si diffondono lontano dai batteri, mantenendo bassa la concentrazione ambientale di AI. Man mano che i batteri si riproducono e continuano a espellere le AI, la concentrazione di AI aumenta, raggiungendo infine una concentrazione di soglia. Questa soglia permette agli AI di legare i recettori delle membrane sui batteri, innescando cambiamenti nell'espressione genica in tutta la comunità batterica.

Colorazione dei batteri Gram

Molti batteri sono ampiamente classificati come grammo positivo o grammo negativo. Questi termini si riferiscono al colore che i batteri assumono quando trattati con una serie di soluzioni di colorazione che sono state sviluppate da Hans Christian Joachim Gram oltre un secolo fa. Se i batteri raccolgono un colore viola, sono gram-positivi; se sembrano rossi, sono gram-negativi. Questi colori macchia sono raccolti dai batteri a causa delle diverse caratteristiche chimiche delle loro pareti cellulari. La diversa composizione delle pareti cellulari batteriche determina il modo in cui i batteri interagiscono tra loro e con il loro ambiente e sono spesso direttamente coinvolti nella causa della malattia. Ad esempio, le pareti cellulari dei batteri gram-negativi sono costituite principalmente da lipopoliopolisaccaride, noto anche come endotossina, che provoca shock settico nel sangue di un paziente.

Quorum sensing in batteri Gram positivi e Gram Negativi

Nei batteri gram-positivi, il quorum sensing si verifica più spesso in due fasi. In primo luogo, l'IA, un peptide autoinducente (AIP), lega un recettore della membrana quando la concentrazione esterna è sufficientemente alta. Il legame attiva gli enzimi interni, le cosiddette chinasi del secondo messaggero che fosfonano i fattori di trascrizione. I fattori di trascrizione regolano quindi l'espressione di diversi geni.

Nel caso di molti batteri gram-negativi, tuttavia, il rilevamento del quorum avviene in un processo in un solo passaggio. Quando la concentrazione esterna di IA raggiunge la soglia, l'IA attraversa la membrana (tramite un trasportatore) e rientra nella cella. Una volta all'interno, può interagire direttamente con i fattori di trascrizione per regolare l'espressione genica. Questo tipo di segnalazione non richiede un intermediario o un secondo messaggero. L'IA stessa è il messaggero. Tuttavia, anche senza un secondo messaggero, la segnalazione intracellulare può essere complicata.

Segnalazione in un batterio che produce luce

Un esempio di questo è il batterio Photorhabdus luminescens, che è gram negativo. Produce autoindottore 2 (AI-2) come segnale di rilevamento del quorum e come segnale intracellulare. I batteri rilasciano AI-2 nell'ambiente. Quando L'AI-2 raggiunge livelli di soglia al di fuori delle cellule batteriche, l'AI-2 si lega a un trasportatore di cassette leganti ATP (ABC) sulla membrana batterica e viene ri-internalizzato dal trasportatore ABC. Poi, una chinasi intracellulare, LsrK, fosforilati AI-2 stesso. Una volta attivato in questo modo, AI-2 stesso può eseguire come un fattore di trascrizione, attivando geni che codificano l'enzima luciferasi. Luciferasi produce luce quando catalizza reazioni specifiche. Così solo quando la popolazione Photorhabdus luminescens raggiunge una densità critica si può vedere la loro bioluminescenza. È stato suggerito che questo batterio era responsabile del bagliore bluastro-verde visto nelle ferite di alcuni soldati della guerra civile degli Stati Uniti dopo la battaglia di Shiloh.

Segnalazione quorum e infezioni batteriche di dispositivi medici impiantati

La diffusione di batteri sulla superficie degli impianti medici si verifica attraverso la segnalazione del quorum e può causare infezioni potenzialmente letali. Una grande quantità di ricerca è in corso, per trovare modi per fermare biofilm batterici da formare in ambienti medici. Gran parte di questa ricerca si concentra sullo sviluppo di nuovi materiali che non sono suscettibili alla crescita batterica. Tuttavia, composti biologici, comprese le sostanze prodotte da alcuni tipi di batteri, sono anche in fase di studio per le loro proprietà di inibizione batterica.

- [Narratore] Simile agli eucarioti, la segnalazione chimica

nei batteri si verifica tra e all'interno delle cellule.

La comunicazione cellula-cellula, nota come rilevamento

del quorum comporta la produzione, il rilascio e

il rilevamento a livello comunitario di piccole molecole d

di segnalazione chiamate auto-induttori.

Queste molecole sono peptidi idrofobi

sono simili agli ormoni, perché producono

segnali chimici per trasmettere informazioni tra le cellule

dopo aver raggiunto una soglia di concentrazione.

Le singole cellule possono rilevare la densità

di auto-induttori extracellulari,

che segnalerà la produzione di uno specifico

messenger secondario, diGMP ciclico,

all'interno della cellaul per regolare la produzione

di proteine coinvolte nell'espressione genica

di comportamenti come la bioluminescenza.

Questi processi consentono alle cellule batteriche di agire

insieme come se fossero un singolo organismo multicellulare,

anche tra diversi tipi.

Questa comunicazione è importante nella formazione

di biofilm, comunità di cellule batteriche aggregate

che aderiscono alle superfici, da cui spesso

ricevono i bisogni nutrizionali. Ad esempio

i biofilm si possono formare sui denti ogni mattina,

o addirittura invadere gli impianti medici.