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6.2: Bakterielle Signalgebung
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Bacterial Signaling
 
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6.2: Bacterial Signaling

6.2: Bakterielle Signalgebung

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.

Überblick

Mitunter verhält sich eine Gruppe von Bakterien wie eine Gemeinschaft. Um dies zu erreichen, setzen sie auf das sogenannte Quorum Sensing. Dabei handelt es sich um die Wahrnehmung einer höheren Zelldichte, die zu einer Veränderung der Genexpression führt. Quorum Sensing umfasst sowohl extrazelluläre als auch intrazelluläre Signale. Die Signalkaskade beginnt mit einem Molekül, das als Autoinduktor (AI) bezeichnet wird. Einzelne Bakterien produzieren Autoinduktoren, die sich aus der bakteriellen Zellmembran in den extrazellulären Raum bewegen. AIs können sich passiv entlang eines Konzentrationsgradienten aus der Zelle heraus bewegen oder aktiv über die Bakterienmembran befördert werden.

Die extrazelluläre Konzentration der AI gibt Signale an Bakterien

Wenn die Zelldichte in den Bakterienpopulationen niedrig ist, so diffundieren die AIs von den Bakterien weg. So wird die Konzentration der AIs in der Umgebung niedrig gehalten wird. Wenn sich die Bakterien reproduzieren und weiterhin AIs ausscheiden, steigt die Konzentration der AIs und erreicht schließlich eine Schwellenkonzentration. Diese Schwelle erlaubt es den AIs, Membranrezeptoren an die Bakterien zu binden, wodurch Veränderungen in der Genexpression in der gesamten Bakteriengemeinschaft ausgelöst werden.

Gram-Färbung

Viele Bakterien werden allgemein als gram-positiv oder gram-negativ eingestuft. Diese Bezeichnungen beziehen sich auf die Farbe, die die Bakterien annehmen, wenn sie mit einer Reihe von Farbstoffen behandelt werden. Diese Methode wurde von Hans Christian Joachim Gram vor über einem Jahrhundert entwickelt. Nehmen Bakterien eine violette Farbe an, sind sie gram-positiv, sehen sie rot aus, sind sie gram-negativ. Diese Färbungen werden von den Bakterien aufgrund der unterschiedlichen Chemie ihrer Zellwände aufgenommen. Die unterschiedliche Zusammensetzung der bakteriellen Zellwände bestimmt die Art und Weise, wie die Bakterien miteinander und mit ihrer Umgebung interagieren. Sie ist oft direkt an der Entstehung von Krankheiten beteiligt. Zum Beispiel bestehen die Zellwände von gram-negativen Bakterien hauptsächlich aus Lipopolysaccharid, was auch als Endotoxin bekannt ist. Bei einem Patienten kann dieses Endotoxineinen septischen Schock verursachen.

Quorum Sensing in gram-positiven und gram-negativen Bakterien

Bei gram-positiven Bakterien erfolgt das Quorum Sensing meist in zwei Schritten. Zunächst bindet das AI, ein autoinduzierendes Peptid (AIP), einen Membranrezeptor, wenn die äußere Konzentration ausreichend hoch ist. Die Bindung aktiviert interne Enzyme, so genannte Second Messenger Kinasen, die Transkriptionsfaktoren phosphorylieren. Die Transkriptionsfaktoren regulieren dann die Expression verschiedener Gene.

Bei vielen gram-negativen Bakterien erfolgt das Quorum Sensing jedoch in einem einstufigen Prozess. Erreicht die externe Konzentration der AIs den Schwellenwert, durchqueren diese die Membran (über einen Transporter) und treten wieder in die Zelle ein. Im Inneren können sie direkt mit Transkriptionsfaktoren interagieren, um die Genexpression zu regulieren. Diese Art der Signalübertragung erfordert keinen Zwischen -oder Botenstoff. Der Autoinduktor fungiert in diesem Fall selbst als Botenstoff. Aber auch ohne einen zweiten Botenstoff kann die intrazelluläre Signalübertragung kompliziert sein.

Signale in einer lichtproduzierenden Bakterie

Ein Beispiel dafür ist das Bakterium Photorhabdus luminescens, das gram-negativ ist. Es produziert den Autoinduktor 2 (AI-2) als Quorum Sensing Signal und als intrazelluläres Signal. Die Bakterien geben AI-2 an die Umgebung ab. Wenn die AI-2-Konzentration außerhalb der Bakterienzellen einen Schwellenwert erreicht, bindet AI-2 an einen ATP-bindenden Kassetten-(ABC)-Transporter auf der Bakterienmembran und wird durch den ABC-Transporter re-internalisiert. Dann phosphoryliert eine intrazelluläre Kinase, LsrK, das AI-2 selbst. Einmal aktiviert, kann AI-2 selbst als Transkriptionsfaktor fungieren und Gene aktivieren, die für das Enzym Luciferase kodieren. Die Luciferase produziert Licht, wenn sie spezifische Reaktionen katalysiert. Erst wenn die Photorhabdus luminescens Population eine kritische Dichte erreicht hat, kann man ihre Biolumineszenz sehen. Es wurde vermutet, dass dieses Bakterium für das bläulich-grüne Leuchten in den Wunden einiger US-Bürgerkriegssoldaten nach der Schlacht von Shiloh verantwortlich war.

Quorum-Signalisierung und bakterielle Infektionen von implantierten Medizinprodukten

Die Ausbreitung von Bakterien auf der Oberfläche von medizinischen Implantaten erfolgt durch Quorum-Signale und kann lebensbedrohliche Infektionen verursachen. Es wird viel geforscht, um Wege zu finden, die Bildung von bakteriellen Biofilmen in der Medizin zu verhindern. Ein Großteil dieser Forschung konzentriert sich auf die Entwicklung neuer Materialien, die für das Bakterienwachstum nicht geeignet sind. Doch auch biologische Verbindungen, darunter Substanzen, die von einigen Bakterienarten produziert werden, werden auf ihre bakterienhemmenden Eigenschaften hin untersucht.


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