Quorum   Sensing
la comunicació entre bactèries
 Per saber-ne més...
@
@

Introducció 

Lfexistència de programes de desenvolupament cel•lular i dels sistemes de comunicació que els regulen, ha estat considerada durant dècades una propietat exclusiva dels organismes superiors.
No obstant això, actualment se sap que els bacteris han desenvolupat sofisticats mecanismes que els permeten detectar i respondre a les condicions ambientals, que inclouen estímuls clàssics tals com els canvis de temperatura, la disponibilitat de nutrients, la pressió dfoxigen i el pH.


És per això que els bacteris han de disposar de tot un sistema de mecanismes sensors intracel•lulars que els permeti transmetre informació de fora a dins de la cèl•lula a través de cascades de fosforilació, des dfuna proteïna sensora fins a les proteïnes reguladores. Aquests sistemes sensors permeten a la cèl•lula produir una resposta adaptativa a canvis en lfambient extern mitjançant la alteració de patrons dfexpressió gènica.
També sfha observat que els bacteris produeixen i responen a senyals extracel•lulars produïdes per altres bacteris, i que aquests mecanismes de comunicació intercel•lular els permet desenvolupar comportaments cooperatius.


En un principi, aquests fenòmens van ésser considerats com curiositats anòmales, i no es contemplava la possibilitat de que fossin utilitzats de manera generalitzada pels microorganismes.
A principis de la dècada dels 90, la confluència de resultats de diversos grups de científics que treballaven independentment, va evidenciar que un dels mecanismes de comunicació cooperativa (el que utilitzaven unes exòtiques bacteries marines com veurem més endavant) estava involucrat en el control de lfexpressió gènica en processos de vital importància en nombrosos bacteris.
Aquests processos de comunicació intercel•lular que es produeixen a elevades concentracions cel•lulars i que tenen com a objectiu iniciar accions cooperatives va ser denominat detecció de quorum o gquorum sensingh.


La detecció del quòrum implica la producció i alliberació al medi per part de les cèl•lules bacterianes, de petites molècules senyal, també denominades autoinductors (AI) o feromones. La concentració dfaquestes molècules senyal, els serveix com a mecanisme de cens per poder avaluar la densitat cel•lular del medi. A mesura que creix la població bacteriana, sfincrementa el nivell extracel•lular de la molècula senyal, fins que sfarriba a una concentració llindar (que equival a un cens mínim o quòrum) que desencadena lfexpressió de fenotips adequats. Aquests poden consistir en lfactivació de lfexpressió de gens, en alguns casos la desrepressió, o inclús la repressió de lfexpressió gènica mitjançant lfacció de sistemes sensors reguladors.
En la major part dels casos, la expressió completa del reguló dependent del QS es produeix només quan altres cofactors com la Tª, els nutrients, etc estan presents, integrant així la informació poblacional amb altres sistemes de transducció de senyals.


Les senyals de comunicació intercel•lular (CCSM) que potencialment poden funcionar com a molècules censals del quòrum, són molècules petites i difusives, que poden trobar-se en el medi de cultiu esgotat després del creixement. Aquestes molècules es defineixen per una sèrie de criteris:
- La seva producció ha de tenir lloc durant fases de creixement específiques o en certes condicions fisiològiques, o en resposta a canvis en lfambient.
- Les CCSM sfhan dfacumular extracel•lularment i ser reconegudes per un receptor específic.
- La seva acumulació ha de generar una resposta concertada, un cop assolida la concentració llindar.
- La resposta cel•lular ha de ser diferent dels canvis fisiològics necessaris per metabolitzar o detoxificar la CCSM.


El primer sistema de detecció de quòrum identificat en la seva totalitat ja a principis de la dècada dels 80, i que serveix avui com a paradigma per a tots els processos de detecció de quòrum de bacteries Gram-negatives, és el sistema de control de la bioluminiscència de vibris marins. Es el cas de Vibrio fisheri, una espècie bioluminiscent i simbiont que resideix en els òrgans lluminosos dfalguns peixos i calamars marins, només emet llum en cultiu quan assoleix una densitat cel•lular mínima o quòrum. Les cèl•lules detecten la densitat cel•lular mitjançant la producció dfuna petita molècula de la família de les N-acil-L-homoserín lactones o AHL, que difon lliurement a través de la membrana i sfacumula en el medi de cultiu. Un cop assolida la concentració llindar de lfautoinductor comença la generació de llum.


Gairebé 10 anys més tard, es va descobrir un mecanisme similar (però donat per altres molècules senyal) que estava implicat en la regulació genètica de processos tan diversos com la producció dfantibiòtics, la alliberació de factors de virulència i la transferència conjugacional de plàsmids. Avui dia se sap que els sistemes de detecció de quòrum intervenen a més en el control de moltes altres funcions fisiològiques bacterianes.

Els gens activats pels sistemes de quòrum sensing són de tres tipus:
- Processos dfacció en massa en els quals lfacció dfun sol bacteri seria inútil (des de la bioluminiscència fins a la iniciació de processos de virulència).
- Preparació per la competència per nutrients, en què els bacteris induirien respostes característiques de la fase estacionària, funcions de disseminació i dispersió o la producció dfantibiòtics.
- Processos de desenvolupament com la producció de biopel•lícules.

Encara que el terme quorum sensing es va utilitzar en un principi per descriure els fenòmens de resposta a la densitat cel•lular mitjançant AHL en bacteris Gram-negatius, aquest terme sfha estès a altres sistemes que utilitzen molècules senyal diferents de les AHL.
Sfha descobert que diferents bacteris utilitzen més dfuna senyal o inclús més dfun tipus de senyal. Per tant, han desenvolupat complexes circuits jeràrquics de regulació per tal de poder integrar i processar la informació de tal manera que les senyals poden ser utilitzades per diferenciar entre espècies en lfinterior dfuna comunitat bacteriana.
@

En aquest treball ens centrarem en el sistema de les AHL i en el de AI-2, en el primer cas per ser el primer sistema que es va descriure i el millor caracteritzat, i en el segon cas per ésser el sistema més generalitzat i estès en el mon microbià. Ambdós sistemes seran descrits tot seguit..                                  


 
@

Existeixen tres tipus (a nivell general) de quorum sensing en la natura


- Els
bacteris Gram-negatius produeixen generalment AHLs que posseeixen una elevada diversitat conformacional. Les AHLs van ser descrites per primer cop en Vibrio fischeri en el control de la bioluminiscència. Cal dir que alguns organismes eucariotes han desenvolupat mecanismes dfintercepció de la senyal de quòrum (o quorum quenching) donada per AHL, i també alguns bacteris posseeixen enzims específics per degradar aquestes substàncies.


- En
bacteris Gram-positius , la coordinació intercel•lular es realitza mitjançant lfacció de petites molècul•les senyal de naturalesa peptídica denominats autoinductors peptídics (AIPs). Les senyals sfexporten activament al medi i en alguns casos es modifiquen i es trunquen per interaccionar amb els dominis externs de proteïnes sensores de membrana. La transducció de la senyal es produeix mitjançant una cascada de fosforilació que culmina en lfactivació dfuna proteïna que modula la transcripció de gens diana, controlant processos com la secreció de factors de virulència, esporulació i competència.


- Un
tercer tipus dfautoinductor denominat AI-2 combina ambdós tipus de comunicació. Aquest AI va ser identificat per primer cop en el vibri marí Vibrio harveyi. Mentre que les AHLs i els AIPs són altament específics i sfutilitzen per la comunicació intercel•lular dins de la mateixa espècie, lfAI-2 es troba tant en bacteris Gram-negatius com en Gram-positius, la qual cosa sembla indicar que podria actuar com a llenguatge químic interespecífic universal, ja que en molts casos ambdós tipus de sistemes de detecció conviuen.
@

  

@

@

Espectatives de futur
Degut a que la detecció de quòrum juga un paper crític en la regulació de nombroses funcions fisiològiques microbianes, incloent les relacionades amb la patogenicitat en plantes i animals,existeix un enorme interès en el disseny i implementació dfestratègies dfinactivació dels sistemes de QS, també denominades gquorum quenchingh, que puguin funcionar com a noves fórmules de lluita antimicrobiana (sistemes que interceptin el comportament cooperatiu mitjançant estratègies de intercepció de quòrum aconseguint així bloquejar a possibles patògens, al evitar que rebin les senyals per iniciar lfatac).


Mentre que els agents antimicrobians tradicionals donen com a resultat la mort cel•lular del patogen, la utilització de sistemes que alterin els sensors de QS adopta una estratègia menys agressiva i que no estava disponible fins al moment: atenuar la virulència del patogen de manera que no sigui capaç dfadaptar-se a lfambient de lfhoste, i pugui ser eliminat per les defenses innates dfaquest, aconseguint així bloquejar-lo perquè no pugui rebre les senyals per iniciar lfatac.


La identificació de substàncies que inactiven el sistema de QS seria important en el cas de patògens oportunistes,lfèxit de les quals depèn de la organització dfun atac coordinat que superi les defenses de lfhoste.


Encara que la inactivació dfaltres sistemes de QS és igualment interessant, fins al moment tots els sistemes descrits de QQ es refereixen a la inactivació del senyal mediada per AHLs en Gram-negatives.
Existeixen 2 tipus dfestratègies de QQ. Un primer tipus evitaria la generació del senyal,mentre que el segon tipus interceptaria la senyal per tal dfevitar que fos detectada.

Aquesta nova estratègia de lluita antimicrobiana obre una nova era de búsqueda de substàncies per al tractament de les malalties infeccioses, ja que per exemple, es podrien evitar: la iniciació de processos de virulència, la síntesis de factors de virulència o la formació de biopel•lícules (les quals són molt difícils dfeliminar).
@



 

@