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6.2: Signalisation bactérienne
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Bacterial Signaling
 
TRANSCRIPTION

6.2: Bacterial Signaling

6.2: Signalisation bactérienne

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.

Aperçu

Parfois, un groupe de bactéries se comporte comme une communauté. Pour ce faire, ils s’engagent dans la détection du quorum, la perception d’une densité cellulaire plus élevée qui entraîne un changement dans l’expression des gènes. La détection du quorum implique à la fois la signalisation extracellulaire et intracellulaire. La cascade de signalisation commence par une molécule appelée autoinducteur (IA). Les bactéries individuelles produisent des IA qui se déplacent hors de la membrane cellulaire bactérienne dans l’espace extracellulaire. Les IA peuvent se déplacer passivement le long d’un gradient de concentration hors de la cellule, ou être activement transportés à travers la membrane bactérienne.

La concentration extracellulaire des IA donne des signaux aux bactéries

Lorsque la densité cellulaire dans les populations bactériennes est faible, les IA se diffusent loin des bactéries, en gardant la concentration environnementale des IA faible. À mesure que les bactéries se reproduisent et continuent d’excréter les IA, la concentration d’IA augmente, atteignant finalement un seuil de concentration. Ce seuil permet aux IA de lier les récepteurs membranaires sur les bactéries, déclenchant des changements dans l’expression des gènes dans toute la communauté bactérienne.

Gramme staining

De nombreuses bactéries sont largement classées comme gram positive ou gram négatif. Ces termes se réfèrent à la couleur que les bactéries prennent lorsqu’elles sont traitées avec une série de solutions de coloration qui ont été développés par Hans Christian Joachim Gram il ya plus d’un siècle. Si les bactéries prennent une couleur pourpre, elles sont gram-positives; s’ils ont l’air rouges, ils sont gramnégatifs. Ces couleurs de tache sont ramassées par les bactéries en raison des différentes chimies de leurs parois cellulaires. La composition différente des parois cellulaires bactériennes détermine les façons dont les bactéries interagissent les unes avec les autres et leur environnement et sont souvent directement impliquées dans la cause de la maladie. Par exemple, les parois cellulaires des bactéries gramnégatives sont principalement faites de lipopolysaccharide, également connu sous le nom d’endotoxine, qui provoque un choc septique dans le sang d’un patient.

Détection du quorum chez les bactéries gram positives et gram négatives

Chez les bactéries gram-positives, la détection du quorum se produit le plus souvent en deux étapes. Tout d’abord, l’IA, un peptide autoinducteur (AIP), lie un récepteur membran selon le cas lorsque la concentration externe est suffisamment élevée. La liaison active les enzymes internes, ce que l’on appelle les kinases de second messager qui phosphorylatent les facteurs de transcription. Les facteurs de transcription régulent alors l’expression de différents gènes.

Dans le cas de nombreuses bactéries gramnégatives, cependant, la détection du quorum a lieu dans un processus en une seule étape. Lorsque la concentration externe des IA atteint le seuil, l’IA traverse la membrane (via un transporteur) et réintègre la cellule. Une fois à l’intérieur, il peut interagir directement avec les facteurs de transcription pour réguler l’expression des gènes. Ce type de signalisation ne nécessite pas d’intermédiaire ou de second messager. L’IA elle-même est le messager. Cependant, même sans un deuxième messager, la signalisation intracellulaire peut être compliquée.

Signalisation dans une bactérie qui produit de la lumière

Un exemple de ceci est la bactérie Photorhabdus luminescens, qui est gram négatif. Il produit l’autoinducteur 2 (AI-2) comme signal de détection de quorum et comme signal intracellulaire. Les bactéries libèrent l’IA-2 dans l’environnement. Lorsque l’IA-2 atteint des niveaux de seuil en dehors des cellules bactériennes, AI-2 se lie à un transporteur de cassettes à liaison ATP (ABC) sur la membrane bactérienne, et il est réintérialisé par le transporteur ABC. Puis, une kinase intracellulaire, LsrK, phosphorylates AI-2 lui-même. Une fois activé de cette façon, AI-2 lui-même peut effectuer comme un facteur de transcription, activant les gènes qui codent l’enzyme luciferase. La luciferase produit de la lumière lorsqu’elle catalyse des réactions spécifiques. Ainsi, ce n’est que lorsque la population de luminescens Photorhabdus atteint une densité critique que vous pouvez voir leur bioluminescence. Il a été suggéré que cette bactérie était responsable de la lueur bleu-vert vu dans les blessures de certains soldats de la guerre civile américaine après la bataille de Shiloh.

Signalisation du quorum et infections bactériennes des dispositifs médicaux implantés

La propagation des bactéries à travers la surface des implants médicaux se produit par la signalisation du quorum et peut causer des infections potentiellement mortelles. Une grande partie de la recherche est en cours, pour trouver des moyens d’arrêter la formation de biofilms bactériens dans les milieux médicaux. Une grande partie de cette recherche se concentre sur le développement de nouveaux matériaux qui ne sont pas utilisables à la croissance bactérienne. Cependant, les composés biologiques, y compris les substances produites par certains types de bactéries, sont également à l’étude pour leurs propriétés d’inhibition bactérienne.


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