Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

6.2: Bakteri Sinyalleşmesi
TABLE OF
CONTENTS

JoVE Core
Biology

A subscription to JoVE is required to view this content. You will only be able to see the first 20 seconds.

Education
Bacterial Signaling
 
TRANSCRIPT

6.2: Bacterial Signaling

6.2: Bakteri Sinyalleşmesi

Overview

At times, a group of bacteria behaves like a community. To achieve this, they engage in quorum sensing, the perception of higher cell density that results in a shift in gene expression. Quorum sensing involves both extracellular and intracellular signaling. The signaling cascade starts with a molecule called an autoinducer (AI). Individual bacteria produce AIs that move out of the bacterial cell membrane into the extracellular space. AIs can move passively along a concentration gradient out of the cell, or be actively transported across the bacterial membrane.

The Extracellular Concentration of AIs Gives Signals to Bacteria

When cell density in the bacterial populations is low, the AIs diffuse away from the bacteria, keeping the environmental concentration of AIs low. As bacteria reproduce and continue to excrete AIs, the concentration of AIs increases, eventually reaching a threshold concentration. This threshold permits AIs to bind membrane receptors on the bacteria, triggering changes in gene expression across the whole bacterial community.

Gram Staining

Many bacteria are broadly classified as gram positive or gram negative. These terms refer to the color that the bacteria take on when treated with a series of staining solutions which were developed by Hans Christian Joachim Gram over a century ago. If bacteria pick up a purple color, they are gram-positive; if they look red, they are gram-negative. These stain colors are picked up by the bacteria because of the different chemistries of their cell walls. The different composition of the bacterial cell walls determine the ways the bacteria interact with each other and their environment and are often directly involved in causing disease. For example, the cell walls of gram-negative bacteria are mainly made of lipopolysaccharide, also known as endotoxin, which causes septic shock in a patient’s blood.

Quorum Sensing in Gram Positive and Gram Negative Bacteria

In gram-positive bacteria, quorum sensing most often occurs in two steps. First, the AI, an autoinducing peptide (AIP), binds a membrane receptor when the external concentration is sufficiently high. The binding activates internal enzymes, so-called second messenger kinases that phosphorylate transcription factors. The transcription factors then regulate the expression of different genes.

In the case of many gram-negative bacteria, however, quorum sensing takes place in a one-step process. When the external concentration of AIs reaches the threshold, the AI crosses the membrane (via a transporter) and reenters the cell. Once inside, it may directly interact with transcription factors to regulate gene expression. This type of signaling does not require an intermediary or second messenger. The AI itself is the messenger. However, even without a second messenger, the intracellular signaling can be complicated.

Signaling in a Bacteria That Produces Light

One example of this is the bacteria Photorhabdus luminescens, which is gram negative. It produces autoinducer 2 (AI-2) as a quorum sensing signal and as an intracellular signal. The bacteria release AI-2 into the environment. When AI-2 reaches threshold levels outside the bacterial cells, AI-2 binds to an ATP-binding cassette (ABC) transporter on the bacterial membrane, and it is re-internalized by the ABC transporter. Then, an intracellular kinase, LsrK, phosphorylates AI-2 itself. Once activated in this way, AI-2 itself can perform as a transcription factor, activating genes which encode the enzyme luciferase. Luciferase produces light when catalyzing specific reactions. Thus only when the Photorhabdus luminescens population reaches a critical density can you see their bioluminescence. It has been suggested that this bacteria was responsible for the bluish-green glow seen in the wounds of some US Civil War soldiers after the battle of Shiloh.

Quorum Signaling and Bacterial Infections of Implanted Medical Devices

The spread of bacteria across the surface of medical implants occurs through quorum signaling and can cause life-threatening infections. A great deal of research is ongoing, to find ways to stop bacterial biofilms from forming in medical settings. Much of this research focuses on developing new materials that are not amenable to bacterial growth. However, biological compounds, including substances produced by some kinds of bacteria, are also being investigated for their bacterial inhibition properties.

Genel bakış

Bazen, bir grup bakteri bir topluluk gibi olur. Bunu başarmak için, çoğunluk algılama meşgul, gen ekspresyonunda bir kayma ile sonuçlanan yüksek hücre yoğunluğu algısı. Çoğunluk algılamahem hücre dışı hem de hücre içi sinyalizasyon içerir. Sinyal basamaklama bir otoiner (AI) adı verilen bir molekül ile başlar. Tek tek bakteriler, bakteri hücre zarının hücre dışı uzaya taşınmasına neden olan ais üretirler. AIs hücre dışında bir konsantrasyon gradyan boyunca pasif hareket edebilir, ya da aktif bakteri zarı boyunca taşınan.

AIs'in Hücre Dışı Konsantrasyonu Bakterilere Sinyal Verir

Bakteri popülasyonlarında hücre yoğunluğu düşük olduğunda, AIs'ler bakterilerden uzakdur ve AIs'lerin çevresel konsantrasyonu düşük tutar. Bakteriler çoğalır ve AIs salgılamaya devam ettikçe, AIs konsantrasyonu artar ve sonunda bir eşik konsantrasyonuna ulaşır. Bu eşik, AIs'in membran reseptörlerini bakterilere bağlamasına izin vererek tüm bakteri topluluğunda gen ekspresyonundaki değişiklikleri tetikler.

Gram Boyama

Birçok bakteri geniş gram pozitif veya gram negatif olarak sınıflandırılır. Bu terimler, bir yüzyıl önce Hans Christian Joachim Gram tarafından geliştirilen bir dizi boyama çözeltisi ile tedavi edildiğinde bakterilerin aldığı renge atıfta bulunur. Eğer bakteriler mor bir renk alırsa, gram-pozitiftirler; kırmızı görünürlerse gram-negatiftirler. Bu leke renkleri, hücre duvarlarının farklı kimyaları nedeniyle bakteriler tarafından toplanır. Bakteri hücre duvarlarının farklı bileşimi bakterilerin birbirleri ve çevreile etkileşim yollarını belirlemek ve genellikle doğrudan hastalığa neden olan. Örneğin, gram-negatif bakterilerin hücre duvarları esas olarak lipopolisakkarit yapılır, ayrıca endotoksin olarak bilinen, bir hastanın kanında septik şoka neden olan.

Gram Pozitif ve Gram Negatif Bakterilerde Çoğunluk Algılama

Gram-pozitif bakterilerde, çoğunluk algılama en sık iki adımda oluşur. İlk olarak, AI, bir otoindükleme peptid (AIP), dış konsantrasyon uytkadar yüksek olduğunda bir membran reseptörbağlanır. Bağlama iç enzimleri aktive, sözde ikinci haberci kinases bu fosforilit transkripsiyon faktörleri. Transkripsiyon faktörleri daha sonra farklı genlerin ekspresyonunu düzenler.

Birçok gram-negatif bakteri durumunda, ancak, çoğunluk algılama tek adımlı bir süreç içinde gerçekleşir. AI dış konsantrasyonu eşiğe ulaştığında, AI membran (bir taşıyıcı ile) geçer ve hücre ye girer. İçeri girdikten sonra gen ekspresyonunu düzenlemek için transkripsiyon faktörleri ile doğrudan etkileşime girebilir. Bu tür bir sinyal aracı veya ikinci haberci gerektirmez. AI kendisi haberci olduğunu. Ancak, ikinci bir haberci olmadan bile, hücre içi sinyal karmaşık olabilir.

Işık Üreten Bakterilerde Sinyal

Bunun bir örneği bakteri Photorhabdus luminescens, gram negatif olan. Otoiner2 (AI-2) bir çoğunluk algılama sinyali olarak ve hücre içi sinyal olarak üretir. Bakteriler AI-2'yi çevreye salıyor. AI-2 bakteri hücrelerinin dışındaki eşik seviyelerine ulaştığında, AI-2 bakteri zarındaki ATP bağlayıcı kasete (ABC) bağlanır ve ABC taşıyıcısı tarafından yeniden içselleştirilir. Sonra, hücre içi kinaz, LsrK, fosforilasyon AI-2 kendisi. Bir kez bu şekilde aktive, AI-2 kendisi bir transkripsiyon faktörü olarak gerçekleştirebilirsiniz, enzim luciferase kodlamak genleri aktive. Luciferase belirli reaksiyonları katalize ederken ışık üretir. Böylece sadece Photorhabdus lüminescens nüfus kritik bir yoğunluğa ulaştığında onların biyolüminesans görebilirsiniz. Bu bakterisi Shiloh savaşından sonra bazı ABD İç Savaşı askerlerinin yaralarında görülen mavimsi-yeşil parıltı sorumlu olduğu ileri sürülmüştür.

İmplante Tıbbi Cihazların Kontrasyon Sinyalizasyonu ve Bakteriyel Enfeksiyonları

Tıbbi implantların yüzeyine bakterilerin yayılması çoğunluk sinyali yoluyla meydana gelir ve hayatı tehdit eden enfeksiyonlara neden olabilir. Bakteriyel biyofilmlerin tıbbi ortamlarda oluşmasını engellemenin yollarını bulmak için büyük bir araştırma devam ediyor. Bu araştırmanın çoğu bakteri üremesine uygun olmayan yeni malzemeler geliştirmeye odaklanmaktadır. Ancak, bazı bakteriler tarafından üretilen maddeler de dahil olmak üzere biyolojik bileşikler de bakteriyel inhibisyon özellikleri açısından araştırılmaktadır.


Suggested Reading

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter