Bacteriële signalering

Overzicht

Een groep bacteriën gedraagt zich soms als een gemeenschap. Om dit te bereiken, houden ze zich bezig met quorum sensing, een regulatiemechanisme waarmee bacteriën hun genexpressie kunnen afstemmen op de populatiedichtheid aan de hand van signaalmoleculen. Bij quorum sensing zijn zowel extracellulaire als intracellulaire signaalcascades betrokken. De signaalcascade begint met een molecuul dat een autoinducer (AI) wordt genoemd. Individuele bacteriën produceren AI's die uit het bacteriële celmembraan naar de extracellulaire ruimte gaan. AI's kunnen passief langs een concentratiegradiënt de cel uit of actief door het bacteriële membraan worden getransporteerd.

De extracellulaire concentratie van AI's geeft signalen aan bacteriën

Wanneer de celdichtheid in de bacteriepopulaties laag is, diffunderen de AI's weg van de bacteriën, waardoor de omgevingsconcentratie van AI's laag blijft. Terwijl bacteriën zich voortplanten en doorgaan met het uitscheiden van AI's, neemt de concentratie van AI's toe en bereikt het uiteindelijk een drempelconcentratie. Deze drempel stelt AI's in staat zich aan de membraanreceptoren op de bacteriën te binden, waardoor veranderingen in genexpressie in de hele bacteriegemeenschap worden veroorzaakt.

Gramkleuring

Veel bacteriën worden grofweg geclassificeerd als grampositief of gramnegatief. Deze termen verwijzen naar de kleur die de bacteriën aannemen wanneer ze worden behandeld met een reeks kleuringsoplossingen die meer dan een eeuw geleden zijn ontwikkeld door Hans Christian Joachim Gram. Als bacteriën een paarse kleur krijgen, zijn ze grampositief; als ze rood worden, zijn ze gramnegatief. Deze kleuringen worden door de bacteriën opgenomen, omdat hun celwanden een andere chemie hebben. De verschillen in de samenstelling van de celwand van deze bacteriën bepalen de manier waarop de bacteriën met elkaar en hun omgeving omgaan en ze zijn daarom ook vaak direct betrokken bij het veroorzaken van ziekten. De celwanden van gramnegatieve bacteriën zijn voornamelijk gemaakt van lipopolysaccharide, ook wel endotoxine genoemd, dat een septische shock veroorzaakt in het bloed van een patiënt.

Quorum sensing in grampositieve en gramnegatieve Bacteriën

Bij grampositieve bacteriën vindt quorum sensing meestal in twee stappen plaats. Wanneer de externe concentratie voldoende hoog bindt de AI, een autoinducing peptide (AIP), eerst een membraanreceptor. Deze binding activeert interne enzymen, zogenaamde second messenger kinasen, die transcriptiefactoren fosforyleren. De transcriptiefactoren reguleren vervolgens de expressie van verschillende genen.

In het geval van veel gramnegatieve bacteriën vindt quorum sensing echter plaats in een eenstapsproces. Wanneer de externe concentratie van AI's de drempel bereikt, passeert de AI het membraan (via een transporter) en gaat opnieuw de cel binnen. Het kan dan direct een interactie aangaan met transcriptiefactoren om genexpressie te reguleren. Voor dit type signalering is geen tussenstap of second messenger nodig. De AI zelf is de messenger. Maar zelfs zonder een tweede messenger kan de intracellulaire signalering gecompliceerd zijn.

Signalering in een bacterie die licht produceert

Een voorbeeld hiervan is de gramnegatieve bacterie Photorhabdus luminescens. Het produceert de autoinducer 2 (AI-2) als quorumdetectiesignaal en als intracellulair signaal. De bacteriën geven AI-2 af aan het milieu. Zodra de AI-2 de drempelwaarden buiten de bacteriële cellen bereikt, dan bindt de AI-2 zich aan een ATP-binding cassette (ABC) -transporter op het bacteriële membraan en wordt zo opnieuw geïnternaliseerd door de ABC-transporter. Vervolgens fosforyleert een intracellulair kinase, LsrK, AI-2 zelf. Zodra de AI-2 geactiveerd is, kan de AI-2 zelf fungeren als een transcriptiefactor om genen te activeren die voor het enzym luciferase coderen. Luciferase produceert licht bij het katalyseren van specifieke reacties. Dus alleen wanneer de Photorhabdus luminescens- populatie een kritische dichtheid bereikt, kun je hun bioluminescentie zien. Er is gesuggereerd dat deze bacterie verantwoordelijk was voor de blauwgroene gloed die te zien was in de wonden van sommige Amerikaanse soldaten uit de burgeroorlog na de slag om Shiloh.

De verspreiding van bacteriën over het oppervlak van medische implantaten vindt plaats via quorumsignalering en kan levensbedreigende infecties veroorzaken. Er is veel onderzoek gaande om manieren te vinden om de vorming van bacteriële biofilms in medische omgevingen te stoppen. Een groot deel van dit onderzoek is gericht op het ontwikkelen van nieuwe materialen die niet vatbaar zijn voor bacteriegroei. Biologische verbindingen, waaronder stoffen die door sommige soorten bacteriën worden geproduceerd, worden echter ook onderzocht op hun bacteriële remmende eigenschappen.