Quorum Sensing: Bakteriyel Mesajlaşma

"Quorum Sensing" yani çekirdek algılama, bakterilerin dilini ve anlaşmasını ifade eder. Bu bilinç, hücre popülasyon yoğunluğundaki dalgalanmalara yanıt olarak gen ifadesinin düzenlenmesidir. Bakteriler tek hücreli olmalarına rağmen birbirleriyle iletişim kurarlar. İletişim kurmak için ise "konuşmak" yerine kimyasal sinyal moleküllerini kullanırlar. Bakteriler, kendi kendine indükleyiciler olarak bilinen bu kimyasalların birikmesini serbest bırakır, tespit eder ve spesifik olarak tepki verirler.

Otoindükleyici tespiti, bakterilerin düşük ve yüksek hücre popülasyon yoğunlukları arasında ayrım yapmasına ve hücre sayısındaki değişikliklere yanıt olarak gen ekspresyonunu modüle etmesine olanak tanır. Bakteriler bir popülasyonda toplu davranışı teşvik etmek için çoklu hücre veya çoğunluk algılama iletişim mekanizmalarını kullanabilirler. Bakteri hücrelerinin içine ve dışına yayılan küçük moleküllerin uyarılmasını temel alan son araştırmalara dayanarak, gen ekspresyonunu yalnızca popülasyonun artırdığına inanılmaktadır. Başka bir deyişle, bu iletişim için hücrelerin ortama doyurulması gerekir. Bakteri popülasyon yoğunluğu arttıkça, sinyal moleküllerinin cebirsel üretimi de artar ve sonuç olarak dış ortamdaki konsantrasyonları ve doygunlukları yükselir. Bu, sosyal davranışta yaygın olarak yer alan birkaç genin ifadesini düzenlemek için etkili bir yol olarak bilinir.

Motilite, ekzopolisakkarit sentezi, biyofilm oluşumu ve toksik üretim faktörü gibi ökaryotik konaklarla simbiyotik, patojenik veya topluluk etkileşimleri oluşturmak için çeşitli bakteri fenotipleri gereklidir.

"Quorum Sensing (QS)" sinyal molekülleri hem bitki hem de memeli alemlerinde ökaryotik davranışı etkiler. Bu da sinyal moleküllerinin belirli bir çevresel niş içinde avantajlı bir yaşam tarzını destekleyerek, bakterinin hayatta kalmasına doğrudan yardımcı olabileceğini düşündürür. Ortak davranışların koordinasyonunda, gram negatif ve gram pozitif bakteriler için de kullanılabilir. Bu koordineli gen ifadesi, otoindükleyiciler olarak adlandırılan küçük sinyal moleküllerinin üretimi, salınması ve saptanması ile elde edilir.

Düşük popülasyon yoğunluklarında bir otoindükleyici sentaz geninin bazal ekspresyonu, hücre boyunca yayılan ve çevreleyen ortamda hızlıca seyreltilen küçük miktarlarda otoindükleyici sinyal moleküllerinin üretimi ile sonuçlanır. Bakteri popülasyonundaki bir artış, hücrelerin içinde ve çevresinde kademeli bir otoindükleyici birikime neden olur. Otoindükleyici ona spesifik olarak bağlanarak bir transkripsiyonel düzenleyici proteini aktive eder. Aktive düzenleyiciler daha sonra hedef DNA dizileri ile etkileşime girer ve çekirdek algılama ile düzenlenmiş genlerin transkripsiyonunu çoğaltır veya bloke eder. Bu da bir bakteri popülasyonunda belirli fenotiplerin senkronize aktivasyonu ile sonuçlanır.

Ökaryotlar, bakteriyel sinyalleşme ağını olumlu veya olumsuz bir şekilde etkileyen "çekirdek algılayıcı müdahale edici (QSI)" kimyasallar oluşturur. Ökaryotik müdahale nedeniyle, bakteriyel çekirdek algılamasına çok daha fazla ince ayar yapılabilir. Ek olarak mevcut araştırmalar, zararlı bakterileri kontrol etmek için kullanılabilecek yeni QSI kimyasallarının keşfedilmesine yol açmıştır.

Bakteriyel davranışa müdahale etmek için başka bir yol da, bakteriyel çekirdek algılayıcı genleri ifade eden transgenik bitkiler yaratmaktır. "Vibrio Fishcery" olarak da adlandırılan Photobacterium Fischeri, çekirdek algılamayı kullanan ilk "gram negatif" bakterileridir. Harvard Üniversitesi'nden Kenneth H. Nealson ve John W. Hastings 1970 yılında bu bakterilerin yüksek bir nüfus yoğunluğuna ulaşana kadar parlamadıklarını keşfettiler. Bu keşfe dayanarak canlıdaki biyolüminesansın hücreler arasında akan moleküler haberciler tarafından kontrol edildiğine inanıldı. Bu habercilere "otoindükleyiciler" adını verdiler, çünkü otoindüksiyon kişinin kendi kültür süpernatantlarına bir tepkiydi ve bu moleküllerin hedef hücrelere ulaşması ve biyolüminesans ile ilgili genlerin ekspresyonunu uyarması beklendi. Bu alandaki daha fazla çalışma, Photobacterium Fischeri'nin otoindükleyici sinyalini "N-asil homoserin lakton (AHL)" olarak tanımlanmasını sağladı.

Kaynaklar ve İleri Okuma

1- De Kievit, T. R., and B. H. Iglewski.2000. Bacterial quorum sensing in pathogenic relationships. Infect. Immun.68:4839-4849.

2- Degrassi, G., C. Aguilar, M. Bosco, S. Zahariev, S. Pongor, and V. Venturi.2002. Plant growth-promoting Pseudomonas putida WCS358 produces and secretes four cyclic dipeptides: cross-talk with quorum sensing bacterial sensors. Curr. Microbiol.45:250-254.

3- DeLisa, M. P., C. F. Wu, L. Wang, J. J. Valdes, and W. E. Bentley.2001. DNA microarray-based identification of genes controlled by autoinducer 2-stimulated quorum sensing in Escherichia coli. J. Bacteriol.183:5239-5247.

4- Devine, J. H., G. S. Shadel, and T. O. Baldwin.1989. Identification of the operator of the lux regulon from the Vibrio fischeri strain ATCC7744. Proc. Natl. Acad. Sci. USA86:5688-5692.

5- Dong, Y. H., L. H. Wang, J. L. Xu, H. B. Zhang, X. F. Zhang, and L. H. Zhang.2001. Quenching quorum-sensing-dependent bacterial infection by an N-acyl homoserine lactonase.

6- Dunlap, P. V.1999. Quorum regulation of luminescence in Vibrio fischeri. J. Mol. Microbiol. Biotechnol.1:5-12.

7- Proc Natl Acad Sci U S A. 2000 Aug 1; 97(16): 8789–8793. doi: 10.1073/pnas.97.16.8789.

8- H. Lade, D. Paul and J. H. Kweon. “Quorum-Quenching Mediated Approaches for Control of Membrane Biofouling”. International Journal of Biological Sciences.

9- Ng, Wai-Leung & Bassler, Bonnie. (2009). Bacterial Quorum-Sensing Network Architectures. Annual review of genetics. 43. 197-222. 10.1146/annurev-genet-102108-134304.

10- Salisu, A. R., Umar, S., Kawo, A. H., & Cosa, S. (2021). Natural Products May Present an Optimum Control Strategy to Quorum-Sensing Mediated Membrane Biofouling. International Journal of Applied Sciences: Current and Future Research Trends , 11(1), 1-12.

11- W.L. Ng and B.L. Bassler. “Bacterial Quorum-Sensing Network Architectures”. Annual Review of Genetics, vol. 43, pp. 197–222, May 2009.