6.2: Sygnalizacja bakteryjna

Sygnalizacja bakteryjna może zachodzić w obrębie bakterii (wewnątrzkomórkowa) lub pomiędzy bakteriami (międzykomórkowa). Czasami grupa bakterii zachowuje się jak społeczność. Aby to osiągnąć, angażują się w wykrywanie kworum, czyli postrzeganie większej gęstości komórek, która powoduje zmiany w ekspresji genów. Wykrywanie kworum obejmuje zarówno sygnalizację zewnątrzkomórkową, jak i wewnątrzkomórkową. Kaskada sygnalizacyjna rozpoczyna się od cząsteczki zwanej autoinduktorem (AI). Poszczególne bakterie wytwarzają AI, które przemieszczają się z błony komórkowej bakterii do przestrzeni zewnątrzkomórkowej. AI mogą biernie przemieszczać się wzdłuż gradientu stężeń z komórki lub być aktywnie transportowane przez błonę bakteryjną.

Zewnątrzkomórkowe stężenie AI daje sygnały bakteriom

Gdy gęstość komórek w populacjach bakterii jest niska, AI dyfundują z dala od bakterii, utrzymując niskie stężenie AI w środowisku. W miarę jak bakterie rozmnażają się i nadal wydzielają AI, stężenie AI wzrasta, ostatecznie osiągając stężenie progowe. Ten próg umożliwia AI wiązanie się z receptorami błonowymi bakterii, wywołując zmiany w ekspresji genów w całej społeczności bakteryjnej. Przykłady fenotypów indukowanych przez wykrywanie kworum obejmują bioluminescencję, ruchliwość, tworzenie biofilmów i ekspresję czynników zjadliwości.

Sygnalizacja w bakteriach wytwarzających światło

Bakterie bioluminescencyjne, takie jak Photorhabdus luminescens, wytwarzają światło w wyniku złożonego procesu sygnalizacyjnego. Bakterie te wykorzystują wykrywanie kworum, co pozwala im koordynować wytwarzanie bioluminescencji. Na przykład P. luminescens wytwarza autoinduktor 2 (AI-2) jako sygnał wykrywania kworum i jako sygnał wewnątrzkomórkowy. Bakterie uwalniają AI-2 do środowiska. Kiedy AI-2 osiągnie poziom progowy na zewnątrz komórek bakteryjnych, AI-2 wiąże się z transporterem kasety wiążącej ATP (ABC) na błonie bakteryjnej i jest ponownie internalizowany przez transporter ABC. Następnie wewnątrzkomórkowa kinaza LsrK fosforyluje samą AI-2. Po aktywacji w ten sposób sama AI-2 może działać jako czynnik transkrypcyjny, aktywując geny kodujące enzym lucyferazę. Lucyferaza wytwarza światło po katalizowaniu określonych reakcji. W rezultacie bioluminescencję obserwuje się dopiero wtedy, gdy populacja P. luminescens osiągnie gęstość krytyczną.

Quorum Signaling i infekcje bakteryjne wszczepionych wyrobów medycznych

Rozprzestrzenianie się bakterii na powierzchni implantów medycznych następuje poprzez quorum signaling i może powodować infekcje zagrażające życiu. Obecnie prowadzi się wiele badań nad zapobieganiem tworzeniu się biofilmów bakteryjnych w placówkach medycznych. Duża część tych badań koncentruje się na opracowywaniu nowych materiałów hamujących rozwój bakterii.

Podobnie jak eukarionty, komórki bakteryjne również wykorzystują sygnalizację chemiczną do komunikacji.

Quorum sensing to specjalny rodzaj komunikacji komórka-komórka, w której niektóre bakterie koordynują swoje zachowanie w odpowiedzi na zmiany gęstości populacji.

Takie bakterie uwalniają małe cząsteczki sygnałowe zwane autoinduktorami. Wraz ze wzrostem liczby bakterii zwiększa się liczba autoinduktorów w otaczającym środowisku.

Gdy stężenie osiągnie określoną wartość, znaną jako stężenie progowe, bakterie mogą wykryć autoinduktory

Szlak ten prowadzi do aktywacji wewnątrzkomórkowych przekaźników sekundowych, takich jak cykliczny di-GMP, które regulują ekspresję genów dla różnych procesów, w tym wirulencji i oporności na antybiotyki.

Quorum sensing umożliwia niektórym gatunkom bakterii działanie jako pojedynczy organizm wielokomórkowy. Na przykład quorum sensing reguluje bioluminescencję u niektórych bakterii i pozwala im wytwarzać więcej światła jako społeczność, niż mogłyby to zrobić samodzielnie.

Ponadto quorum sensing odgrywa kluczową rolę w regulowaniu tworzenia biofilmu bakteryjnego, złożonych społeczności bakterii, które przyczepiają się do powierzchni. Na przykład płytka nazębna to lepki biofilm bakteryjny, który tworzy się na zębach.