Ρυθμιστής συλλογικής συμπεριφοράς («αίσθηση απαρτίας») στα βακτήρια. Βακτήρια, σκάσε! Πώς και γιατί να παρέμβετε στη διακυτταρική επικοινωνία Ανίχνευση απαρτίας ή κοινωνική συμπεριφορά των βακτηρίων

Ο σχηματισμός, η ανάπτυξη και η μετανάστευση μορφών πλαγκτονικών κυττάρων για αποικισμό σε βιοφίλμ ρυθμίζονται σε επίπεδο πληθυσμού μέσω των μηχανισμών διακυτταρικής επικοινωνίας. Η "αίσθηση απαρτίας" (QS) είναι μια διαδικασία συλλογικού συντονισμού της γονιδιακής έκφρασης σε έναν βακτηριακό πληθυσμό που μεσολαβεί σε συγκεκριμένη κυτταρική συμπεριφορά. Ο μηχανισμός λειτουργίας του QS βασίζεται σε πολύπλοκη ιεραρχική ρύθμιση των τόπων-στόχων του γονιδιώματος του βακτηριακού κυττάρου. Σε αυτή την περίπτωση, η ρύθμιση πραγματοποιείται σε διαφορετικά επίπεδα επιρροής: μεταγραφική, μεταφραστική, μετα-μεταφραστική.

Τα κύτταρα σε έναν πληθυσμό ανταποκρίνονται σε ένα συγκεκριμένο κυτταρικό σήμα με μια συγκεκριμένη απόκριση. Μέχρι σήμερα, έχει διαπιστωθεί ότι οι σχέσεις κυττάρου-κυττάρου επηρεάζουν την ενδοπληθυσμιακή διαφοροποίηση των κυττάρων, την έκφραση γονιδίων λοιμογόνου δράσης, ρυθμίζουν τις διαδικασίες ανάπτυξης, τη φύση και την κατεύθυνση της κινητικότητας (ταξί), καθώς και τη βακτηριακή απόπτωση και το σχηματισμό τοξινών.

Το έργο του QS μπορεί να συγκριθεί με την ορμονική ρύθμιση της λειτουργικής δραστηριότητας διαφόρων οργάνων και ιστών σε έναν πολυκύτταρο οργανισμό.

Οι Gram-θετικοί και Gram-αρνητικοί μικροοργανισμοί χρησιμοποιούν διαφορετικά συστήματα σηματοδότησης και διαφορετικούς πομπούς χημικών σημάτων. Οι πρώτοι συνθέτουν 7-8μελή πεπτίδια (Enterococcus spp.), κυκλοπεπτίδια (Staphylococcus spp.). δεύτερον: ποικιλία λακτονών ακυλο-ομοσερίνης (AHL).

Εξετάστε το έργο του QS στο παράδειγμα του Pseudomonas aeruginosa. Αυτός ο μικροοργανισμός έχει τουλάχιστον τρία ρυθμιστικά συστήματα. Το πιο μελετημένο από αυτά είναι το σύστημα LasI - LasR (το AHL με μακριά αλυσίδα ακυλίου λειτουργεί ως χημικό σήμα). Σύστημα RhlI - RhlR (αγγελιοφόρος - AHL με κοντή ακυλική αλυσίδα, C4-HSL). και το σύστημα κινολόνης PQS. Η αλληλεπίδραση αυτών των τριών συστημάτων καθιστά δυνατή τη ρύθμιση της έκφρασης περίπου 6-10% του γονιδιώματος. Στο σύστημα LasI - LasR, η συνθάση AHL, προϊόν του γονιδίου lasI, είναι υπεύθυνη για τη βιοσύνθεση των μορίων σηματοδότησης. Η έκφρασή του είναι στο βασικό επίπεδο, επομένως η συσσώρευση μορίων σήματος διαρκεί πολύ και το βιολογικό αποτέλεσμα αρχίζει να εκδηλώνεται μόνο στη στατική φάση της αύξησης του πληθυσμού. Στα κύτταρα, το AHL αλληλεπιδρά με την πρωτεΐνη LasR (προϊόν του γονιδίου lasR, η έκφραση του οποίου είναι επίσης στο βασικό επίπεδο), σχηματίζοντας ένα ομοδιμερές, έναν ρυθμιστή μεταγραφής. Αυτός ο ρυθμιστής ενεργοποιεί πολλά γονίδια που εμπλέκονται στο σχηματισμό της λοιμογόνου δράσης και στις διαδικασίες σχηματισμού βιοφίλμ, ενεργοποιεί επίσης τον χρωμοσωμικό ρυθμιστή las Box, ο οποίος είναι υπεύθυνος για την έκφραση διάφορους παράγοντεςπαθογένεια (πρωτεάση, ελαστάση, κ.λπ.). Το σύμπλεγμα LasR + AHL ενεργοποιεί το δεύτερο σύστημα σηματοδότησης. Αυτό συμβαίνει μετά από αλληλεπίδραση με τον υποκινητή του γονιδίου Rhl. Η έκφραση του RhlI προκαλεί το σχηματισμό μιας πρωτεΐνης για τη σύνθεση του AHL με βραχέα υπολείμματα ακυλίου (C4-HSL). Το γονίδιο rhlR κωδικοποιεί μια πρωτεΐνη (RhlR) που αλληλεπιδρά με τα σηματοδοτικά μόρια C4-HSL. Η προκύπτουσα σειρά πρωτεϊνών RhlR + C4-HSL ρυθμίζει τη μεταγραφή γονιδίων που κωδικοποιούν διάφορες δομικές ενώσεις της μήτρας βιοφίλμ (αλγινικό, ραμνολιπίδιο, κ.λπ.), καθώς και λιπάση και πυοκυανίνη. Επίσης, αυτός ο μεταγραφικός ρυθμιστής ενεργοποιεί την έκφραση ενός άλλου ρυθμιστή - RpoS (παράγοντας σίγμα της στατικής φάσης ανάπτυξης του P. aeruginosa), ο οποίος ξεκινά το σχηματισμό πρωτεϊνών στρες στο κύτταρο και συμμετέχει σε προσαρμοστικές αντιδράσεις. Μεταξύ των κλινικών απομονώσεων του P.aeruginosa, βρέθηκε ότι εκτός από τη λειτουργία των συστημάτων σηματοδότησης AHL, το σύστημα κινολόνης (γονιδιακός τόπος - pqsABCDE) εισέρχεται παράλληλα, οι αγγελιοφόροι είναι οι υδροξυαλκυλοκινολόνες και οι υδροξυεπτυλοκινολόνες. Αυτό το σύστημα λειτουργεί με τον ίδιο τρόπο όπως οι ρυθμιστικοί μηχανισμοί που περιγράφηκαν παραπάνω και μεσολαβεί στην αύξηση της έκφρασης παραγόντων λοιμογόνου δράσης, ειδικότερα στη σύνθεση ελαστάσης και λεκτινών. Η αλληλεπίδραση των τριών συστημάτων σηματοδότησης επηρεάζει ένας μεγάλος αριθμός απόγονίδια, σε σχέση με τα οποία υπάρχει μια παγκόσμια ρύθμιση της μεταγραφής, η οποία οδηγεί σε μια πολύ ευέλικτη αστάθεια των φυσιολογικών διεργασιών του κυττάρου και είναι συνέπεια του τεράστιου δυναμικού προσαρμογής των βακτηρίων στον πληθυσμό.

Τα συστήματα σηματοδότησης λειτουργούν με την αρχή της αυτοεπαγωγής, τα συντιθέμενα μόρια σηματοδότησης δρουν στο δικό τους κύτταρο και καθώς συσσωρεύονται στο εξωκυτταρικό περιβάλλον, ενεργοποιούνται όλο και περισσότεροι εξαρτημένοι προαγωγείς, ρυθμιστές του γονιδιώματος του κυττάρου. Το QS με βάση το AHL έχει βρεθεί σε πολλά Gram-αρνητικά βακτήρια: Acinetobacter, Aeromonas, Brucella, Burkholderia, Erwinia, Enterobacter, Chromobacterium, Hafnia, Serratia, Vibrio, Yersinia κ.λπ. δομές του ίδιου του μορίου σηματοδότησης.

Ωστόσο, μεταξύ κλινικών απομονώσεων gram-αρνητικών βακτηρίων, παρατηρείται συχνά διασταυρούμενη επικοινωνία, η οποία διασφαλίζει την αλληλεπίδραση πληθυσμών διαφορετικών ειδών στη μολυσματική εστία. Το Cross-QS μπορεί τόσο να ενεργοποιήσει όσο και να αναστείλει εξαρτώμενα γονίδια-στόχους σε βακτηριακές συσχετίσεις. Για παράδειγμα, τα P. aeruginosa, Serratia liquefaciens, Aeromonas hydrophila συνθέτουν έναν τύπο μορίων σηματοδότησης. Το QS του C.violaceum και του A.hydrophila αναστέλλεται από μόρια AHL με μακρά υπολείμματα ακυλίου, τα οποία συντίθενται από διάφορους gram-αρνητικούς μικροοργανισμούς. Το Pseudomonas aeruginosa σχηματίζει μόρια σηματοδότησης με μακρά και βραχέα υπολείμματα ακυλίου και δεν αναστέλλονται αμοιβαία, ωστόσο, οι αγγελιοφόροι E. coli της ίδιας μοριακής δομής με μακρά ακυλικά υπολείμματα είναι ικανοί να αναστέλλουν το σύστημα σηματοδότησης P. aeruginosa rhl. Σε μικτά βιομεμβράνες P.aeruginosa και Burkholderia cepacia, η Burkholderia ανταποκρίνεται σε σήματα από Pseudomonas aeruginosa (η οποία με τη σειρά της δεν είναι ευαίσθητη στα σήματα B.cepacia), επομένως, ο πληθυσμός P.aeruginosa ρυθμίζει πολλές φυσιολογικές διεργασίες του συνεργάτη της. Υπάρχουν ενδείξεις ότι ορισμένα στελέχη P. aeruginosa που απομονώθηκαν από ασθενείς με ισκίδωση δεν είναι σε θέση να συνθέσουν τα ίδια τους αυτοεπαγωγείς του συστήματος σηματοδότησης rhl, με αποτέλεσμα τη μείωση της λοιμογόνου δράσης και τον ατελή σχηματισμό βιομεμβρανών σε πειράματα in vitro. Ωστόσο, in vivo, τα ίδια στελέχη Pseudomonas aeruginosa σχηματίζουν πλήρη βιοφίλμ. Διαπιστώθηκε ότι η μικροχλωρίδα που απομονώθηκε από τη βλέννα των ίδιων ασθενών συνθέτει rhl-αυτοεπαγωγείς, ρυθμίζοντας έτσι τη λοιμογόνο δράση και το σχηματισμό των βιοφίλμ P.aeruginosa και ξεκινώντας τη μολυσματική διαδικασία. Τα ίδια τα μόρια AHL επηρεάζουν διαφορετικά άλλες ομάδες βακτηρίων. Τα μόρια σηματοδότησης των προκαρυωτών μπορούν επίσης να επηρεάσουν τη συμπεριφορά μυκητιακών, φυτικών, ακόμη και ζωικών κυττάρων. Έτσι, το P. aeruginosa AHL καταστέλλει τη διαδικασία νηματοποίησης Candida albicans.

Στους ανθρώπους, τα μόρια AHL αναστέλλουν τον πολλαπλασιασμό των λευκοκυττάρων και το σχηματισμό του παράγοντα νέκρωσης όγκου β. Σε υψηλές συγκεντρώσεις, το AHL προκαλεί απόπτωση ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΟΙ ΤΥΠΟΙανοσοεπαρκή κύτταρα. Γενικά, οι βακτηριακές αυτοεπαγωγείς έχουν ανοσοκατασταλτική δράση. Λόγω των αντιδράσεων QS πραγματοποιούνται «κοινωνικές» σχέσεις εντός του πληθυσμού, σχηματίζεται ένα «χημικό δίκτυο επικοινωνίας» ενός βιοφίλμ, το οποίο μπορεί να καλύψει μια κοινότητα πολλών υδάτων.

Δεν είναι λιγότερο ενδιαφέρον το έργο των συστημάτων σηματοδότησης μεταξύ των θετικών κατά Gram μικροοργανισμών. Για παράδειγμα, Enterococcus spp. Το QS ρυθμίζει τη μεταφορά των πλασμιδίων (από τα κύτταρα δότη στα κύτταρα δέκτη) μέσω του μηχανισμού της σύζευξης. Το κύτταρο-λήπτης συνθέτει ένα συγκεκριμένο πεπτιδικό σήμα (βακτηριακή φερομόνη «φύλου»), το οποίο συσσωρεύεται στο μέσο και συνδέεται ειδικά με τους υποδοχείς των κυττάρων-δότη που φέρουν ένα πλασμίδιο που αντιστοιχεί σε αυτή τη φερομόνη. Το ρυθμιστικό σύστημα που ξεκίνησε σε αυτή την περίπτωση διασφαλίζει την έκφραση παραγόντων που μεσολαβούν στην κυτταρική αλληλεπίδραση και τη μεταφορά πλασμιδίου (συστατικά σύζευξης). Όπως σημειώθηκε παραπάνω, μια συγκεκριμένη φερομόνη αντιστοιχεί σε ένα συγκεκριμένο πλασμίδιο. Λόγω ενός τόσο αυστηρού μηχανισμού αλληλεπίδρασης, πραγματοποιείται βακτηριακή επιλογή κυττάρων εντός του βιοφίλμ. Μέσω αυτής της επικοινωνίας, πλασμίδια που φέρουν γονίδια ανθεκτικότητας στα αντιβιοτικά, γονίδια για αιμολυσίνες και βακτηριοσίνες μετατοπίζονται. Τυπικά, τα βιολογικά ενεργά πεπτίδια σήματος κωδικοποιούνται στο χρωμόσωμα και οι πρωτεΐνες υποδοχέα που παρέχουν συγγένεια για τις φερομόνες κωδικοποιούνται στα ίδια τα πλασμίδια. Μετά τη μετατόπιση του πλασμιδίου στο κύτταρο του δέκτη, αρχίζει η σύνθεση αναστολέων φερομόνης, κάθε τύπος φερομόνης έχει τον δικό του αναστολέα. Αυτή η ιδιότητα σάς επιτρέπει να απενεργοποιήσετε το σήμα για ένα υπάρχον πλασμίδιο και να ενισχύσετε τη συσσώρευση μορίων φερομόνης για έναν άλλο τύπο πλασμιδίου. κύτταρο μικροοργανισμού βιοφίλμ

Λόγω της λειτουργίας ενός τέτοιου συστήματος στον πληθυσμό των βιοφίλμ, εμφανίζεται συνεχώς θετική επιλογή στελεχών με ευεργετικές ιδιότητες και αρνητική επιλογή - η εξάλειψη στελεχών με «περιττούς» φαινότυπους. Στο μολυσματικές βλάβεςΤέτοιοι επικοινωνιακοί μηχανισμοί για τη μεταφορά κινητών γενετικών στοιχείων καθιστούν δυνατή τη διανομή γονιδίων ανθεκτικότητας στα αντιβιοτικά, λοιμογόνου δράσης και πρόσθετων φυσιολογικών δυνατοτήτων με τη μέγιστη ταχύτητα.

Το μεγαλύτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει το QS, το οποίο εμπλέκεται στη ρύθμιση της έκφρασης των παραγόντων λοιμογόνου δράσης στους σταφυλόκοκκους. Η γενετική βάση αυτού του συστήματος είναι το agrABCD - ο χρωμοσωμικός τόπος. Ως πομποί σήματος, τα κυκλοπεπτίδια δρουν - αυτο-επαγωγείς (AIP, αυτο-επαγωγικό πεπτίδιο), οι οποίοι ταξινομούνται βάσει δομής και βιολογικής επίδρασης σε ομάδες και υποομάδες, για παράδειγμα, οι υποομάδες 1 και 4 στο S. aureus αυξάνουν την έκφραση των παραγόντων λοιμογόνου δράσης. Αυτά τα μόρια είναι εξαιρετικά συγκεκριμένα, η αντικατάσταση έστω και ενός αμινοξέος στη δομή της ένωσης οδηγεί σε απώλεια βιολογικής λειτουργίας. Όπως συμβαίνει με παραδείγματα του συστήματος αναστολέα σήματος στους εντερόκοκκους, το σταφυλοκοκκικό σύστημα ανταποκρίνεται σε έναν μόνο τύπο αυτοεπαγωγέων, μόλις το κύτταρο λάβει ένα συγκεκριμένο σήμα, ενεργοποιούνται γονίδια αναστολέα και το κύτταρο δεν είναι πλέον σε θέση να αντιληφθεί άλλα σήματα . Αυτός ο μηχανισμός παρέχει μια άκαμπτη επιλογή πληθυσμού. Τα συντιθέμενα μόρια σήματος αλληλεπιδρούν με το σύστημα μεμβράνης κινάσης ιστιδίνης (agrC), το οποίο ενεργοποιεί τον ρυθμιστή μεταγραφής (agrA) μέσω ενός καταρράκτη αντιδράσεων. Αυτή η πρωτεΐνη ρυθμίζει διλειτουργικά τους δύο προαγωγείς P2 και P3. Αντίστοιχα, οι μεταγραφές αυτών των εξαρτημένων γονιδίων είναι RNA II και RNA III, το πρώτο περιέχει τα κύρια γονίδια agr, οπότε εκδηλώνεται η αυτοεπαγωγική απόκριση του συστήματος. Με τη σειρά του, το RNA III παρέχει ρύθμιση της σύνθεσης παραγόντων λοιμογόνου δράσης (DNase, ινωδολυσίνη, εντεροτοξίνη, b-, c-, d-τοξίνες, κ.λπ.). Ένα ενδιαφέρον χαρακτηριστικό σε αυτό το στάδιο ρύθμισης είναι ότι το 500 bp μεταγραφή RNA III δεν φέρει κωδικοποιημένες πληροφορίες, εκτός από ένα ανοιχτό πλαίσιο ανάγνωσης για την d-τοξίνη. Η συντριπτική πλειοψηφία του ίδιου του μορίου μεταγραφής δρα ως ριβοσωμικός αναστολέας. Το RNA III μπλοκάρει τη διαδικασία μετάφρασης του παράγοντα καταστολής της λοιμογόνου δύναμης Rot (κατασταλτής τοξινών), ο οποίος ρυθμίζει τη σύνθεση των σταφυλοκοκκικών τοξινών, με αποτέλεσμα τον ανεξέλεγκτο σχηματισμό εξωτοξινών. Έτσι, το σύστημα agr παρέχει πληθυσμιακή ρύθμιση της έκφρασης των σταφυλοκοκκικών παραγόντων λοιμογόνου δράσης. Χρησιμοποιώντας διάφορες παραλλαγές μελετών PCR, διαπιστώθηκε ότι η έκφραση του agr-locus στα κύτταρα παρατηρείται σε πολλές σταφυλοκοκκικές βλάβες: δερματικές λοιμώξεις, ενδοκαρδίτιδα, αρθρίτιδα, σήψη. Ο πληθυσμός του βιοφίλμ συσσωρεύει μόρια σηματοδότησης που συντίθενται από τη συντριπτική πλειοψηφία των κυττάρων, τα οποία αποτελούν τον μεταβολικό και γενετικό «πυρήνα, απαρτία» του πληθυσμού, καθορίζουν τη μεταβολική συμπεριφορά, τις φαινοτυπικές αλλαγές για όλα τα κύτταρα. Αυτό οφείλεται στη συσσώρευση σημάτων μέσω της ιδιότητας της αυτοεπαγωγής και στην αναστολή άλλων σημάτων που συντίθενται από μια μειοψηφία, ή γενικά από άλλα στελέχη στο βιοφίλμ, λόγω ενός παράλληλου μηχανισμού αναστολής. 1.5 Κλινική σημασία των βιοφίλμ.

Ιδέες για βιοφίλμ, επιβεβαιωμένες με χρήση σύγχρονες μεθόδουςοπτικοποιήσεις, άλλαξε τον τρόπο που βλέπουμε μεταδοτικές ασθένειες. Όλα τα νέα δεδομένα δείχνουν ότι οι χρόνιες λοιμώξεις διαφέρουν θεμελιωδώς από τις οξείες λοιμώξεις με το σχηματισμό βιοφίλμ και τα φαγοκύτταρα του μακροοργανισμού δεν είναι σε θέση να απορροφήσουν βιομεμβράνες, σε αντίθεση με τα μεμονωμένα βακτηριακά κύτταρα.

Η ύπαρξη βιοφίλμ στις χρόνιες λοιμώξεις απαιτεί εντελώς νέες προσεγγίσεις στη διάγνωση και θεραπεία τους. Επιπλέον, οι παραδοσιακές βακτηριολογικές μέθοδοι δεν ανιχνεύουν τα περισσότερα από τα βακτήρια που εμπλέκονται στη μολυσματική διαδικασία. Οι πιο πρόσφατες μοριακές, γονιδιωματικές, μεταγραφικές και πρωτεομικές μέθοδοι κατέστησαν δυνατό να προσδιοριστεί ότι μόνο το 1% περίπου των παθογόνων μικροβιοκένωσης κυττάρων προσδιορίζεται κατά την απομόνωση μιας καθαρής καλλιέργειας. Ως αποτέλεσμα, η θεραπεία στοχεύει μόνο 1-2 βακτηριακά είδη από τα πολλά στελέχη που υπάρχουν στο βιοφίλμ (πιθανώς συμπεριλαμβανομένων των μυκήτων).

Μέχρι σήμερα, ο ρόλος των μικροβιακών βιοφίλμ στην εμφάνιση και ανάπτυξη τέτοιων κοινών ασθενειών όπως λοιμώξεις που σχετίζονται με αγγειακό καθετηριασμό που προκαλείται από Staphylococcus aureus και άλλους gram-θετικούς μικροοργανισμούς έχει αποδειχθεί αξιόπιστα. λοιμώξεις των καρδιακών βαλβίδων και των αρθρικών προθέσεων που προκαλούνται από σταφυλόκοκκους. περιοδοντίτιδα που προκαλείται από έναν αριθμό μικροοργανισμών του στόματος. λοιμώξεις του ουροποιητικού συστήματος που προσδιορίζονται από E. coli και άλλα παθογόνα. λοιμώξεις του μέσου ωτός - προκαλούν, για παράδειγμα, Haemophilus influenzae, κυστική ίνωση που προκαλείται από P. aeruginosa κ.λπ.

Όλες αυτές οι ασθένειες είναι δύσκολο να αντιμετωπιστούν, έχουν υψηλό ποσοστό υποτροπής και ορισμένες από αυτές μπορεί να προκαλέσουν θάνατοι. Οι μηχανισμοί με τους οποίους προκαλούν οι μικροοργανισμοί που σχηματίζουν βιοφίλμ παθολογικές διεργασίεςστον μακροοργανισμό.

Εκτός από τους ιστούς του ξενιστή, τα μικροβιακά βιοφίλμ αποικίζουν διάφορες μη βιολογικές ιατρικές συσκευές που εισάγονται στο ανθρώπινο σώμα (καθετήρες, βηματοδότες, καρδιακές βαλβίδες, ορθοπεδικές συσκευές). Μελέτες εμφυτευμένων ιατρικών συσκευών με χρήση ηλεκτρονικής μικροσκοπίας έχουν δείξει την παρουσία βακτηριακών βιοφίλμ.

Η αύξηση της αντίστασης στα αντιβιοτικά και η ανάπτυξη βακτηριακών βιομεμβρανών αποτελούν μείζονες προκλήσεις στη θεραπεία λοιμώξεων του ουροποιητικού συστήματος.

Έχει διαπιστωθεί ότι οι ιδιότητες των κυττάρων και της εξωκυτταρικής μήτρας αποτελούν τη βάση της αυξημένης αντίστασης. Η μήτρα βιοφίλμ μπορεί να δεσμεύει και/ή να αδρανοποιεί τα αντιβιοτικά. Η αντίσταση λόγω των ιδιοτήτων των κυττάρων βιοφίλμ εξηγείται από τη μείωση της ελεύθερης επιφάνειάς τους λόγω των επαφών μεταξύ τους και το σχηματισμό ειδικών βακτηρίων, που ονομάζονται persisters.

Οι επίμονες είναι αλτρουιστικά κύτταρα που σχηματίζονται στη στατική φάση της ανάπτυξης, είναι μεταβολικά ανενεργά και εξασφαλίζουν την επιβίωση του μητρικού πληθυσμού παρουσία παραγόντων που είναι θανατηφόροι για όλα τα κύτταρα. Στα βιοφίλμ, αυτός ο υποπληθυσμός είναι 1-5% της συνολικής κυτταρικής μάζας. Ο σχηματισμός τέτοιων κυττάρων εξαρτάται από τον βαθμό αύξησης του πληθυσμού· στη λογαριθμική φάση, η καλλιέργεια δεν σχηματίζεται ή σχηματίζει ένα πολύ μικρό ποσοστό επίμονων, ο αριθμός τους αυξάνεται προς τη στατική φάση. Ο σχηματισμός ενός υποπληθυσμού εξαρτάται αντιστρόφως από το επίπεδο μεταβολικής δραστηριότητας όλων των κυττάρων βιοφίλμ, καθώς και από τη δράση εξωγενών δυσμενών παραγόντων. Ο επίμονος φαινότυπος χαρακτηρίζεται από μια ενδιαφέρουσα βιολογία· επιβραδύνουν όλες τις φυσιολογικές διεργασίες και γίνονται ανεκτικοί στη δράση διαφόρων παραγόντων, συμπεριλαμβανομένων των επιδράσεων των αντιμικροβιακών φαρμάκων.

Η ιδιότητα της ανοχής στα αντιβιοτικά διαφέρει από τους μηχανισμούς αντοχής. Η δράση όλων των μηχανισμών βακτηριακής αντίστασης, στην ουσία, μπορεί να περιοριστεί σε ένα φαινόμενο - αυτό είναι η πρόληψη της αλληλεπίδρασης ενός αντιβιοτικού με τον στόχο του (λόγω αλλαγών στους ίδιους τους στόχους ή μέσω της σύνθεσης ενζύμων που εξουδετερώνουν τα αντιβιοτικά ). Η ανοχή προκαλείται από την ικανότητα ενός μικροβιακού κυττάρου να επιβιώνει παρουσία αντιβιοτικού επιβραδύνοντας τον μεταβολισμό και «απενεργοποιώντας» τις κύριες βιολογικές διεργασίες του κυττάρου.

Οι κύριοι μηχανισμοί αύξησης της βακτηριακής αντοχής στα αντιβιοτικά στα βιοφίλμ είναι:

1. Περιορισμός της διείσδυσης των αντιβιοτικών μέσω των βιοφίλμ.

2. Ο περιορισμός της τροφής και το αλλοιωμένο μικροπεριβάλλον στο βιοφίλμ οδηγούν σε μείωση του ρυθμού βακτηριακής διαίρεσης, με αποτέλεσμα να υπάρχουν λιγότεροι στόχοι για τη δράση των αντιβιοτικών.

3. προσαρμοστικές αντιδράσεις.

4. γονιδιακή μεταβλητότητα σε βακτήρια που επιμένουν σε ένα βιοφίλμ.

Με βάση τα συσσωρευμένα δεδομένα, προκύπτει ότι τα αντιβιοτικά χωρίζονται σε δύο τύπους ανάλογα με τη δράση στα βακτήρια στα βιοφίλμ. Το πρώτο περιλαμβάνει αντιβιοτικά που διεισδύουν στα βιοφίλμ και αναστέλλουν ή σκοτώνουν τους μικροοργανισμούς που τα σχηματίζουν. Ο δεύτερος τύπος είναι τα αντιβιοτικά, τα οποία πρακτικά δεν διεισδύουν στα βιοφίλμ, αλλά εμποδίζουν αποτελεσματικά την εγκατάστασή τους λόγω των μεταναστευτικών βακτηρίων. Έτσι, ορισμένα αντιβιοτικά δεν διεισδύουν σε βιομεμβράνες και δεν καταστρέφουν τις υπάρχουσες κοινότητες, αλλά εμποδίζουν μόνο την αύξηση του αριθμού και την κατανομή τους στο ανθρώπινο σώμα. Από αυτή την άποψη, τα τελευταία χρόνια έχουν ξεκινήσει μελέτες για την ικανότητα των αντιβιοτικών να διεισδύουν σε βιομεμβράνες διαφόρων μικροβίων.

Διαπιστώθηκε ότι η αμπικιλλίνη διεισδύει ελάχιστα στις βιομεμβράνες Klebsiella pneumoniae και η αμπικιλλίνη, η κο-τριμαξοσόλη και η βανκομυκίνη διεισδύουν ελάχιστα στις κοινότητες Enterococcus faecalis. Η ευρέως χρησιμοποιούμενη αμοξικιλλίνη διεισδύει ελάχιστα στα βιοφίλμ ορισμένων μικροβίων.

Οι φθοριοκινολόνες είναι από τα αντιβιοτικά που διεισδύουν καλά στα κυτταρικά λιπίδια. Αυτή η ομάδα αντιμικροβιακών φαρμάκων είναι σε θέση να δράσει στα κύρια παθογόνα. ουρολογικές παθήσεις, σε επαρκή συγκέντρωση διεισδύει στο επίκεντρο της μόλυνσης. Η υπάρχουσα εμπειρία με τη χρήση αντιβιοτικών δείχνει ότι με τη μολυσματική διαδικασία, πρωτίστως με την κλινικές ΕΚΔΗΛΩΣΕΙΣ, μπορεί να αντιμετωπιστεί με αντιβιοτικά, τόσο διεισδυτικά όσο και μη διεισδυτικά βιοφίλμ. Ωστόσο, υπάρχει μια διαφορά μεταξύ τους, και είναι αρκετά σημαντική. Έχει αποδειχθεί ότι οι διαφορές μεταξύ διεισδυτικών και μη διεισδυτικών βιοφίλμ αντιβιοτικών μπορεί να εκδηλωθούν στα μακροπρόθεσμα αποτελέσματα της θεραπείας. Η χρήση αντιβιοτικών που δεν διεισδύουν καλά στο βιοφίλμ πολύ γρήγορα οδηγεί στο σχηματισμό και επιλογή ανθεκτικών στελεχών. Επιπλέον, οι υποτροπές συμβαίνουν συχνότερα και σχηματίζονται εστίες χρόνιων διεργασιών.

Το θεραπευτικό αποτέλεσμα στα βιοφίλμ μπορεί να στοχεύει στους μηχανισμούς αρχικής προσκόλλησης βακτηρίων στην επιφάνεια, εμποδίζοντας τη σύνθεση ή καταστροφή της πολυμερούς μήτρας, διαταραχή της ενδοκυτταρικής ανταλλαγής πληροφοριών και μπορεί επίσης να συνδυαστεί με τους ίδιους τους βακτηριοκτόνους παράγοντες. Μια τέτοια θεραπεία, η οποία επηρεάζει τη δομή ή τη λειτουργία των βιοφίλμ, μπορεί να είναι πιο αποτελεσματική από την τυπική αντιβιοτική θεραπεία.

Αυτό το γράφημα απεικονίζει τη λειτουργία ενός «μοριακού διακόπτη» που ρυθμίζει τη συμπεριφορά ενός φωτεινού βακτηρίου. Vibrio harveyiανάλογα με τη συγκέντρωση δύο ουσιών σηματοδότησης (AI-1 και AI-2), οι οποίες χρησιμοποιούνται από τα βακτήρια για να επικοινωνούν μεταξύ τους. Κατά μήκος των οριζόντιων αξόνωνείναι η συγκέντρωση δύο ουσιών, κάθετος άξοναςείναι το αντίστροφο της ισχύος της αντίδρασης του βακτηρίου σε ένα δεδομένο χημικό σήμα. Μπορεί να φανεί ότι ο "μοριακός διακόπτης" έχει τρεις σταθερές καταστάσεις: "μπλε" (οι συγκεντρώσεις και των δύο ουσιών είναι υψηλές, η αντίδραση είναι μέγιστη), "πράσινη" (η συγκέντρωση μιας από τις ουσίες, οποιασδήποτε από τις δύο, είναι υψηλή, και η άλλη είναι χαμηλή, η αντίδραση είναι ενδιάμεση) και «κόκκινη» (οι συγκεντρώσεις και των δύο ουσιών είναι χαμηλές, η αντίδραση ελάχιστη). Ρύζι. από το επίμαχο άρθρο PLoS Biology

Πολλοί ζωντανοί οργανισμοί λαμβάνουν συλλογικές αποφάσεις δημοκρατικά μέσω της λεγόμενης «αίσθησης απαρτίας». Συχνά αυτό εκδηλώνεται στο γεγονός ότι με την αύξηση του συνωστισμού, το σύνολο των ατόμων μετατρέπεται σε μια οργανωμένη ομάδα (κοινότητα, κοπάδι, πλήθος). Οι βασικές αρχές ενός τέτοιου μετασχηματισμού είναι παρόμοιες σε διαφορετικούς οργανισμούς - από βακτήρια σε ζώα. Αυτό αποδεικνύεται από τα αποτελέσματα δύο νέων μελετών, η μία εκ των οποίων έγινε σε φωτεινά βακτήρια και η άλλη στη ρέγγα του Ατλαντικού. Τα βακτήρια αρχίζουν να λάμπουν μαζί όταν επιτευχθεί το κατώφλι της συγκέντρωσης των ουσιών που εκκρίνουν και στα ψάρια, η ώρα της ημέρας και η κατώτατη πυκνότητα πληθυσμού χρησιμεύουν ως σήμα για το σχηματισμό οργανωμένων κοπαδιών πολλών εκατομμυρίων.

"Αίσθηση απαρτίας" ( Ανίχνευση απαρτίας) είναι ένας ευρέως διαδεδομένος στη φύση μηχανισμός που επιτρέπει σε ομάδες οργανισμών να εκτελούν συντονισμένες, συντονισμένες ενέργειες - ακριβώς όπως κάνουν συνεχώς τα κύτταρα ενός πολυκύτταρου οργανισμού. Ωστόσο, σε έναν πολυκύτταρο οργανισμό, η συνοχή της κυτταρικής συμπεριφοράς εξασφαλίζεται από ειδικά κεντρικά συστήματα ελέγχου (για παράδειγμα, το νευρικό σύστημα). Σε μια ομάδα χωριστών ανεξάρτητων οργανισμών, συνήθως δεν υπάρχουν τέτοια κεντρικά συστήματα ελέγχου, επομένως ο συντονισμός των ενεργειών εξασφαλίζεται με άλλους τρόπους, συμπεριλαμβανομένης της χρήσης της «αίσθησης απαρτίας».

Αυτό το φαινόμενο μελετάται καλύτερα σε μονοκύτταρους οργανισμούς, στους οποίους η συνεκτική ομαδική συμπεριφορά βασίζεται συνήθως σε ένα είδος χημικής «ψηφοφορίας». Για παράδειγμα, όλα τα βακτήρια σε έναν πληθυσμό εκκρίνουν μια ουσία σηματοδότησης και όταν η συγκέντρωση αυτής της ουσίας στο περιβάλλον φτάσει σε μια ορισμένη τιμή κατωφλίου, όλα τα κύτταρα αλλάζουν τη συμπεριφορά τους από κοινού (για παράδειγμα, αρχίζουν να βιώνουν «έλξη» το ένα προς το άλλο και συγκεντρώνονται σε μεγάλες συστάδες). Σε μοριακό επίπεδο, μια αλλαγή στη συμπεριφορά των μικροβίων παρέχεται από μια απότομη (μερικές φορές σπασμωδική) αλλαγή στο επίπεδο δραστηριότητας ορισμένων γονιδίων ως απόκριση στο επίπεδο κατωφλίου διέγερσης των υποδοχέων που ανταποκρίνονται σε μια ουσία σηματοδότησης. Ένα από τα πρώτα αντικείμενα που μελέτησαν την αίσθηση της απαρτίας ήταν ένα φωτεινό βακτήριο. Vibrio fischeri, που αναφέρεται στο σημείωμα Η συμβίωση του καλαμαριού με τα φωτεινά βακτήρια εξαρτάται από ένα μόνο γονίδιο, «Στοιχεία», 06.02.2009.

Ο συνωστισμός είναι συνήθως το βασικό σήμα που πυροδοτεί τη μετατροπή πολλών διαφορετικών ατόμων σε μια ενιαία συνεκτική κοινότητα. Για παράδειγμα, Vibrio fischeriδεν λάμπει όσο η πυκνότητα του μικροβιακού πληθυσμού παραμένει χαμηλή. Ωστόσο, όταν φτάσετε σε ένα ορισμένο όριο πυκνότητας (που συμβαίνει, για παράδειγμα, στο φωτεινό όργανο του καλαμαριού, όπου τα βακτήρια έχουν ιδανικές συνθήκες ζωής), όλα τα μικρόβια αρχίζουν να λάμπουν αμέσως και το καλαμάρι λαμβάνει έναν φακό για κυνήγι στο σκοτάδι.

Στους πολυκύτταρους οργανισμούς, η «αίσθηση απαρτίας» και οι γρήγορες συντονισμένες αλλαγές συμπεριφοράς είναι επίσης ευρέως διαδεδομένες, αν και λιγότερο κατανοητές από ό,τι στους μονοκύτταρους οργανισμούς. Μερικές φορές η μετάβαση από την ατομική ζωή στη συνεκτική ομαδική συμπεριφορά μπορεί να είναι πραγματικά δραματική, όπως στην περίπτωση της ακρίδας (βλ. Η σεροτονίνη μετατρέπει την ταπεινή ακρίδα της ερήμου σε αρπακτικά επιδρομείς σε δύο ώρες, «Στοιχεία», 10.02.2009). Χαρακτηριστικά, στις ακρίδες, η μετάβαση στη συμπεριφορά της αγέλης ρυθμίζεται από την πυκνότητα του πληθυσμού (συνωστισμός), όπως και η φωτεινότητα. Vibrio fischeri.

Την περασμένη εβδομάδα δημοσιεύτηκαν δύο ενδιαφέροντα άρθρα σχετικά με τη μελέτη της αίσθησης της απαρτίας σε δύο πολύ διαφορετικούς οργανισμούς - τα φωτεινά βακτήρια. Vibrio harveyi(στενοί συγγενείς V. fischeri) και στη ρέγγα του Ατλαντικού. Και τα δύο έργα βασίζονται στην εφαρμογή νέων μεθόδων και και στις δύο περιπτώσεις μιλάμε για ριζική αλλαγή στο εύρος εξέτασης των υπό μελέτη αντικειμένων. Στην περίπτωση των μικροβίων, η κλίμακα έχει μειωθεί σε μεγαλύτερη λεπτομέρεια: συνήθως μελετάται η συνδυασμένη απόκριση μεγάλων πληθυσμών μικροβίων (για παράδειγμα, η συνολική ισχύς της λάμψης), αλλά σε αυτήν την περίπτωση, οι ερευνητές κατέγραψαν αλλαγές στην συμπεριφορά μεμονωμένων μικροβίων. Όταν κανείς μελετά πολύ μεγάλα αντικείμενα, όπως κοπάδια ρέγγας πολλών εκατομμυρίων, συνήθως πρέπει να περιοριστεί σε μικρά δείγματα, από τα οποία είναι δύσκολο να κρίνει κανείς το κοπάδι στο σύνολό του. Ωστόσο, αυτή τη φορά οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τη μέθοδο της εξαιρετικά ευαίσθητης σάρωσης ηχοεντοπισμού μεγάλων υδάτινων περιοχών που εφευρέθηκε πριν από τρία χρόνια ( Makris et al., 2006), που κατέστησε δυνατή την παρατήρηση του σχηματισμού κοπαδιών μήκους δεκάδων χιλιομέτρων σε πραγματικό χρόνο.

Η συμπεριφορά της ρέγγας παρατηρήθηκε στην περιοχή της ωοτοκίας της Κόλπος του Μέινφθινόπωρο 2006. Αποδείχθηκε ότι κατά τη διάρκεια της περιόδου ωοτοκίας, η ρέγγα αυτοοργανώνεται κάθε απόγευμα σε τεράστιες συναθροίσεις έως και ένα τέταρτο του δισεκατομμυρίου ατόμων, που κολυμπούν από κοινού και φιλικά στα ρηχά νερά όπου αναπαράγεται η ρέγγα.

Κατά τη διάρκεια της ημέρας, τα ψάρια κολυμπούν χωριστά κοντά στον πυθμένα σε βαθιά μέρη, όπου υπάρχουν πολύ λιγότεροι θηρευτές από ότι σε ρηχά νερά. Λίγο πριν τη δύση του ηλίου, η ρέγγα αρχίζει να συσσωρεύεται σταδιακά σε βάθος 160 έως 190 μ. Στην αρχή, η πυκνότητα των ψαριών αυξάνεται αργά. Ωστόσο, τη στιγμή που η πυκνότητα φτάσει σε μια τιμή κατωφλίου 0,2 ψαριών ανά τετραγωνικό μέτρο, η συμπεριφορά των ψαριών αλλάζει ριζικά. Τα ψάρια ορμούν ξαφνικά το ένα προς το άλλο και σχηματίζουν μια πυκνή συστάδα (μέχρι 2-5 ψάρια ανά τετραγωνικό μέτρο), που γίνεται ένα είδος «κέντρου κρυστάλλωσης» για ένα γιγάντιο κοπάδι. Από αυτή την αρχική συγκέντρωση, ένα «κύμα» αλλοιωμένης συμπεριφοράς εξαπλώνεται γρήγορα: τα ψάρια βλέπουν ότι οι συγγενείς τους έχουν ήδη βιαστεί να συλλέξουν και τα ίδια αρχίζουν να κολυμπούν το ένα προς το άλλο.

Ως αποτέλεσμα, η συσσώρευση των ψαριών αυξάνεται με ταχύτητα που είναι μια τάξη μεγέθους μεγαλύτερη από την ταχύτητα με την οποία ένα μεμονωμένο ψάρι μπορεί να κολυμπήσει. Τέλος, σχηματίζεται ένα πυκνό σμήνος μήκους έως 20–30 km και πλάτους περίπου 3–4 km, που εκτείνεται από τα δυτικά προς τα ανατολικά σε βάθος 160–190 m κατά μήκος της βόρειας πλαγιάς του κοπαδιού αναπαραγωγής. Τότε όλη αυτή η τεράστια μάζα ψαριών ξεκινά μια συντονισμένη κίνηση προς τα νότια και μέχρι τον τόπο ωοτοκίας. Τώρα η κίνηση γίνεται ακριβώς με την ταχύτητα με την οποία συνήθως κολυμπάει η ρέγγα. Το μπροστινό άκρο του κινούμενου κοπαδιού είναι ομοιόμορφο και καθαρό, το πίσω άκρο είναι ανώμαλο και θολό λόγω της «υστερήσεως», που συνεχίζει να σηκώνεται από τα βάθη. Η ρέγγα αναπαράγεται τη νύχτα σε βάθος περίπου 50 μέτρων και μέχρι την αυγή το κοπάδι διαλύεται μέχρι το επόμενο βράδυ.

Ποιο είναι το νόημα μιας τέτοιας συμπεριφοράς; Πρώτον, η ωοτοκία στη ρέγγα είναι συλλογική υπόθεση, τα θηλυκά πρέπει να γεννούν μαζί και τα αρσενικά πρέπει να τη γονιμοποιούν από κοινού, επομένως ο συγχρονισμός της συμπεριφοράς για αυτά τα ψάρια είναι πολύ σημαντικός. Δεύτερον, τα περισσότερα αρπακτικά προτιμούν να πιάνουν τη ρέγγα σε ρηχά νερά, επομένως είναι ωφέλιμο για τα ψάρια να φτάνουν στον τόπο ωοτοκίας σε μεγάλες ομάδες (βλ. Ο δημόσιος τρόπος ζωής αυξάνει τη σταθερότητα του συστήματος αρπακτικών-θηραμάτων, «Στοιχεία», 29/10/2007), κάνουν τη δουλειά τους όσο πιο γρήγορα γίνεται και επιστρέφουν σε σχετικά ασφαλές βάθος.

Η μελέτη έδειξε ότι στη ρέγγα, όπως και σε άλλους οργανισμούς με «αίσθηση απαρτίας», μια ξαφνική αλλαγή στη συμπεριφορά και η μετατροπή ενός μη οργανωμένου συνόλου ατόμων σε ένα διατεταγμένο σύνολο συμβαίνει ως απάντηση στην επίτευξη ενός κατωφλίου συγκέντρωσης ατόμων (στην περίπτωση αυτή , η πυκνότητα κατωφλίου είναι 0,2 άτομα ανά τ.μ.). Ποια σήματα - οπτικά ή, ας πούμε, οσφρητικά - καθοδηγείται η ρέγγα κατά την εκτίμηση της πυκνότητας του πληθυσμού είναι ακόμα άγνωστο και είναι πολύ δύσκολο να το ανακαλύψουμε.

Είναι πολύ πιο εύκολο να κατανοήσουμε τους φυσιολογικούς μηχανισμούς της «αίσθησης απαρτίας» σε βακτήρια που δεν έχουν ούτε όραση, ούτε ακοή, ούτε νευρικό σύστημακαι στους οποίους, επομένως, μόνο ένας τρόπος επικοινωνίας είναι διαθέσιμος - χημικός, ανάλογος με την επικοινωνία οσμών στα ζώα.

Ωστόσο, τα μοριακά γενετικά συστήματα που παρέχουν «αίσθηση απαρτίας» στα βακτήρια μπορεί να είναι πολύ περίπλοκα, κάτι που φαίνεται ξεκάθαρα στο παράδειγμα ενός φωτεινού μικροβίου. Vibrio harveyi.Αυτά τα βακτήρια εκκρίνουν στο περιβάλλον τρεις ουσίες σηματοδότησης - "αυτοεπαγωγείς" (αυτοεπαγωγείς, ΑΙ). Κάθε ουσία αντιστοιχεί σε έναν υποδοχέα που αντιδρά στην παρουσία της «δικής της» ουσίας στο περιβάλλον. Και οι τρεις υποδοχείς μεταδίδουν το λαμβανόμενο σήμα στο κύτταρο ενεργοποιώντας τη ρυθμιστική πρωτεΐνη LuxU. Με τη σειρά του, ενεργοποιεί μια άλλη πρωτεΐνη (LuxO), η οποία ενεργοποιεί αρκετά γονίδια που κωδικοποιούν μικρά ρυθμιστικά RNA. Αυτά τα ρυθμιστικά RNA μπλοκάρουν τη λειτουργία του γονιδίου που κωδικοποιεί την πρωτεΐνη LuxR. Ο τελευταίος είναι βασικός συμμετέχων στον ρυθμιστικό καταρράκτη: η δραστηριότητα πολλών γονιδίων εξαρτάται από αυτό, συμπεριλαμβανομένων εκείνων λόγω των οποίων λάμπει το βακτήριο.

Φυσικά, αυτό το πολύπλοκο σύστημα δεν χρειάζεται μόνο για τη ρύθμιση της φωταύγειας. Πολλές άλλες πτυχές της συμπεριφοράς ενός βακτηρίου εξαρτώνται από αυτό, αλλά η λάμψη είναι το πιο εύκολο να καταγραφεί και να μετρηθεί. Σε αυτό το ρυθμιστικό σύστημα, πολλές λεπτομέρειες είναι ήδη γνωστές, αλλά κάτι παραμένει μυστήριο. Για παράδειγμα, δεν είναι σαφές γιατί χρειαζόμαστε έως και τρεις διαφορετικές ουσίες σηματοδότησης και τρεις υποδοχείς για αυτές, αν τελικά όλα καταλήγουν στο ίδιο αποτέλεσμα: είτε ένα γονίδιο LuxRανάβει και μετά τα μικρόβια λάμπουν ή απενεργοποιείται και μετά τα βακτήρια σβήνουν. Και το θέμα δεν αλλάζει θεμελιωδώς από το γεγονός ότι το LuxR ρυθμίζει πολλά διαφορετικά γονίδια, και όχι μόνο τα «γονίδια λάμψης». Παρόλα αυτά, η λειτουργία όλων των ελεγχόμενων συστημάτων εξαρτάται από μία μόνο μεταβλητή: τον βαθμό γονιδιακής δραστηριότητας LuxR. Φαίνεται ότι τα βακτήρια μπορούν εύκολα να περάσουν με μια ουσία σηματοδότησης και έναν υποδοχέα, δηλαδή μια μεταβλητή «εισόδου», προκειμένου να ρυθμίσουν μια μεμονωμένη μεταβλητή «εξόδου». Ωστόσο, για κάποιο λόγο, τα βακτήρια σκέφτονται διαφορετικά και επικοινωνούν μεταξύ τους χρησιμοποιώντας τρεις διαφορετικές ουσίες σηματοδότησης.

Για να κατανοήσουν αυτό το δύσκολο πρόβλημα, οι ερευνητές σχεδίασαν διάφορα γενετικά τροποποιημένα στελέχη. vibrio harveyi,στην οποία το σύστημα χημικής επικοινωνίας απλοποιήθηκε σημαντικά. Αρχικά, το γονίδιο που κωδικοποιεί έναν από τους τρεις υποδοχείς αφαιρέθηκε από όλα τα βακτήρια. Τώρα τα μικρόβια μπορούσαν να ανταποκριθούν μόνο σε δύο από τις τρεις ουσίες σηματοδότησης (AI-1 και AI-2). Δεύτερον, απενεργοποιήθηκαν τα απαραίτητα γονίδια για την παραγωγή ουσιών σηματοδότησης. Αυτό έγινε για να μπορέσουν οι ερευνητές να διατηρήσουν τη συγκέντρωση των AI-1 και AI-2 υπό τον πλήρη έλεγχό τους. Τρίτον, προσέδεσαν το γονίδιο της πράσινης φθορίζουσας πρωτεΐνης στη ρυθμιστική θέση (προαγωγέα) ενός από τα μικρά ρυθμιστικά RNA που εμπλέκονται στον ρυθμιστικό καταρράκτη. Αυτό τους επέτρεψε να κρίνουν τον βαθμό ενεργοποίησης του ρυθμιστικού καταρράκτη της «αίσθησης απαρτίας» από την ισχύ του φθορισμού μεμονωμένων βακτηριακών κυττάρων με πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια και λεπτομέρεια από ό,τι θα μπορούσε να γίνει από τη δύναμη της φυσικής φωταύγειας των βακτηρίων. .

Αποδείχθηκε ότι και οι δύο ουσίες σήματος (AI-1 και AI-2) δρουν στο σύστημα σχεδόν με τον ίδιο τρόπο και το σύστημα μπορεί να βρίσκεται σε μία από τις τρεις σταθερές καταστάσεις:

1) Εάν η συγκέντρωση και των δύο ουσιών είναι χαμηλή, τα βακτήρια παράγουν ενεργά πράσινη φθορίζουσα πρωτεΐνη. Αυτό σημαίνει ότι η σύνθεση της πρωτεΐνης LuxR έχει ανασταλεί και, επομένως, όλα τα γονίδια που μπλοκάρονται από την πρωτεΐνη LuxR είναι ενεργά και όλα τα γονίδια που ενεργοποιούνται από αυτήν την πρωτεΐνη απενεργοποιούνται (συμπεριλαμβανομένων των γονιδίων που είναι υπεύθυνα για τη φυσική φωταύγεια ).

2) Αν η συγκέντρωση όποιοςδύο ουσιών - AI-1 ή AI-2 - αυξάνεται στην τιμή κατωφλίου (που αντιστοιχεί περίπου σε ένα μόριο ουσίας ανά όγκο που καταλαμβάνεται από ένα βακτήριο), τότε ο πράσινος φθορισμός εξασθενεί αισθητά, αλλά δεν σταματά εντελώς. Αυτή η «ενδιάμεση» κατάσταση είναι αρκετά σταθερή. Το επίπεδο φθορισμού παραμένει σχεδόν αμετάβλητο σε ένα ευρύ φάσμα συγκεντρώσεων ουσιών σήματος - εάν μόνο η συγκέντρωση μιας από τις ουσίες ήταν μεγαλύτερη και της δεύτερης - μικρότερη από το επίπεδο κατωφλίου.

3) Τέλος, αν η συγκέντρωση και τα δυοΟι ουσίες σήματος υπερβαίνουν το επίπεδο κατωφλίου, η πράσινη φθορίζουσα πρωτεΐνη πρακτικά παύει να συντίθεται. Αυτό σημαίνει ότι ο ρυθμιστικός καταρράκτης είναι πλήρως ενεργοποιημένος. Μόνο σε αυτήν την περίπτωση, η φυσική λάμψη ανάβει.

Με άλλα λόγια, αποδείχθηκε ότι η χρήση δύο ουσιών σηματοδότησης επέτρεψε στα βακτήρια να δημιουργήσουν έναν μοριακό «διακόπτη» ικανό να λάβει όχι δύο, αλλά τρεις σταθερές καταστάσεις. Καθεμία από αυτές τις τρεις καταστάσεις, προφανώς, έχει το δικό της σύνολο ενεργοποιημένων και απενεργοποιημένων γονιδίων, δηλαδή τη δική της «συμπεριφορά» μικροβίων.

Οι συγγραφείς προτείνουν ότι στην πραγματικότητα αυτός ο διακόπτης μπορεί να έχει όχι τρεις, αλλά τέσσερις σταθερές καταστάσεις - άλλωστε, υπάρχει και μια τρίτη ουσία σήματος, η οποία δεν ελήφθη υπόψη στα πειράματα.

Σύμφωνα με τους συγγραφείς, ένα τόσο περίπλοκο σύστημα χημικής επικοινωνίας επιτρέπει στα βακτήρια να ρυθμίζουν τη συμπεριφορά τους ανάλογα με τη φάση ανάπτυξης της μικροβιακής κοινότητας (βιοφίλμ, βλέπε παρακάτω). Biofilm). Θεωρητικά, οι συγκεντρώσεις των σηματοδοτικών ουσιών - καθώς και η συμπεριφορά των βακτηρίων - μπορούν φυσικά να αλλάξουν κατά την ανάπτυξη των αποικιών. Vibrio harveyi, και οι συγγραφείς αναζητούν επί του παρόντος στοιχεία για αυτήν την υπόθεση.

Η «αίσθηση απαρτίας» στη ρέγγα και τα φωτεινά βακτήρια προκαλεί συγχρονισμό της συμπεριφοράς, αναγκάζοντας όλα τα άτομα να συμπεριφέρονται με τον ίδιο τρόπο. Ωστόσο, είναι επίσης γνωστές περιπτώσεις «διτροπικής» απόκρισης ενός πληθυσμού σε συλλογικά σήματα. Αυτό σημαίνει ότι το ίδιο σήμα προκαλεί μία από τις δύο εναλλακτικές αντιδράσεις σε διαφορετικά άτομα και η επιλογή μιας ή άλλης παραλλαγής μπορεί να καθοριστεί όχι καν από τον γονότυπο του ατόμου, αλλά από απλή τύχη. Έτσι, επιτυγχάνεται ποικιλία φαινοτύπων (συμπεριφορά), ανεξάρτητα από την ποικιλότητα των γονότυπων. Συνήθως, σε μια διτροπική αντίδραση, η σταθερότητα καθεμιάς από τις δύο εναλλακτικές καταστάσεις του οργανισμού εξασφαλίζεται από θετικές ανατροφοδοτήσεις. Ένα παράδειγμα τέτοιας συμπεριφοράς αναλύεται στη σημείωση Τα αλτρουιστικά βακτήρια βοηθούν τους κανίβαλους συγγενείς τους να τρώνε τον εαυτό τους(«Στοιχεία», 27.02.2006).

Υπάρχει «αίσθηση απαρτίας» στους ανθρώπους; Προφανώς, η απάντηση σε αυτό το ερώτημα θα πρέπει να αναζητηθεί στην επιστημονική βιβλιογραφία για τη λεγόμενη «ψυχολογία του πλήθους» (βλ., για παράδειγμα: A.P. Nazaretyan. Το πλήθος και τα πρότυπα συμπεριφοράς του).

Το σύστημα διακυτταρικής επικοινωνίας στους μικροοργανισμούς ονομάζεται σύστημα ανίχνευση απαρτίας (QS ). Σήμερα, το σύστημα QS ορίζεται ως ένα σύστημα συντονισμένης γονιδιακής έκφρασης σε έναν πληθυσμό, ανάλογα με τον δείκτη πυκνότητάς του, χρησιμοποιώντας μικρά μόρια σηματοδότησης. Όπως σημειώθηκε παραπάνω, αυτός ο μηχανισμός περιγράφηκε για πρώτη φορά το 1970 από τον Nilson σε ένα θαλάσσιο βακτήριο Vibrio fisheriως σύστημα ρύθμισης βιοφωταύγειας. Αρχικά, θεωρήθηκε ότι αυτός ο ρυθμιστικός μηχανισμός είναι χαρακτηριστικός μόνο ενός μικρού αριθμού στενά συγγενικών ειδών του γένους VibrioΩστόσο, περαιτέρω μελέτες έχουν δείξει την ευρεία επικράτηση αυτού του ρυθμιστικού μηχανισμού στον κόσμο των μικροοργανισμών. Διαπιστώθηκε ότι με τη βοήθεια του συστήματος QS, οι μικροοργανισμοί είναι σε θέση να ρυθμίζουν πολλές διαδικασίες ζωής, ιδιαίτερα την παθογένεια, τον δευτερογενή μεταβολισμό, το σχηματισμό βιοφίλμ και πολλά άλλα. Έχει αποδειχθεί ότι το σύστημα QS βρίσκεται όχι μόνο σε βακτήρια, αλλά και σε ορισμένους κατώτερους ευκαρυώτες, όπως μύκητες που μοιάζουν με ζυμομύκητες των γενών Candidaκαι Κρυπτόκοκκος. Επιπλέον, αποδείχθηκε ότι με τη βοήθεια αυτού του συστήματος, οι μικροοργανισμοί είναι σε θέση να αλληλεπιδρούν όχι μόνο με το δικό τους είδος, αλλά και να πραγματοποιούν διαπεριφερειακή επικοινωνία, συμπεριλαμβανομένων των ανώτερων ευκαρυωτών.

Γενικά, η λειτουργία του συστήματος QS βασίζεται σε ορισμένες βασικές αρχές (Εικ. 11):

1. Η χρήση μικρών μορίων σηματοδότησης - στο σύστημα QS, η μετάδοση σήματος από το ένα κύτταρο στο άλλο πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας μόρια σηματοδότησης διαφόρων χημικών φύσεων.

2. Η παρουσία συγκεκριμένων υποδοχέων – μορίων σηματοδότησης δεν επηρεάζει άμεσα την έκφραση των γονιδίων-στόχων. Η ενεργοποίηση των γονιδίων-στόχων γίνεται μόνο μετά τη δέσμευση των μορίων σηματοδότησης στους αντίστοιχους υποδοχείς.

3. Επίδραση της πυκνότητας του κυτταρικού πληθυσμού - το σύστημα QS εκκινείται μόνο αφού επιτευχθεί μια ορισμένη τιμή της πυκνότητας του κυτταρικού πληθυσμού, η οποία συσχετίζεται με τη συγκέντρωση των μορίων σηματοδότησης στο περιβάλλον.

4. Η αυτοσυντήρηση της λειτουργίας - ο έλεγχος της σύνθεσης νέων μορίων σηματοδότησης και υποδοχέων πραγματοποιείται με τον ίδιο τρόπο όπως και για τα γονίδια στόχους απουσία ενεργοποίησης συστημάτων καταστολής.

5. Η παρουσία μηχανισμών επιλεκτικής αρνητικής ρύθμισης - στα κύτταρα των μικροοργανισμών υπάρχουν τόσο εξαρτώμενα όσο και ανεξάρτητα από QS γονίδια αρνητικής ρύθμισης, τα προϊόντα των οποίων είναι σε θέση να απενεργοποιούν επιλεκτικά ολόκληρους συνδέσμους του συστήματος QS ή ολόκληρου του συστήματος. ένα ολόκληρο.

Ρύζι. έντεκα. Γενικό σχήμαλειτουργία του συστήματος ανίχνευσης απαρτίας.

Αυτές οι αρχές είναι κοινές σε όλους σχεδόν τους τύπους συστημάτων QS, ανεξάρτητα από τις ιδιαιτερότητές τους δομική οργάνωση. Η έναρξη του συστήματος QS συνήθως συμπίπτει με την ώρα πρώιμο στάδιοεκθετική ανάπτυξη, η οποία χαρακτηρίζεται από ταχεία αύξηση της πυκνότητας του κυτταρικού πληθυσμού. Η έκφραση των γονιδίων-στόχων, αντίθετα, αρχίζει συνήθως με την έξοδο του κυτταρικού πληθυσμού στη στατική φάση και είναι συνήθως πολύπλοκη, δηλαδή συνεπάγεται την έναρξη της βιοσύνθεσης σχεδόν όλων των προϊόντων που ρυθμίζονται από το QS σε σύντομο χρονικό διάστημα χρόνος. Έτσι, τα πρώτα στάδια της εργασίας του συστήματος QS συνίστανται στη διασφάλιση της βιοσύνθεσης των μορίων σήματος και των υποδοχέων τους, μέχρι ένα ορισμένο σημείο, που συμπίπτει με τη συσσώρευση της μέγιστης συγκέντρωσης μορίων σήματος στον μεσοκυττάριο χώρο, μετά την οποία το σύστημα QS πηγαίνει σε μια αυτοσυντηρούμενη κατάσταση.

Οι μηχανισμοί στους οποίους βασίζεται η πρώιμη ενεργοποίηση του συστήματος QS δεν έχουν ακόμη αποσαφηνιστεί πλήρως. Παρά το γεγονός ότι έχει ανακαλυφθεί μεγάλος αριθμός διαφορετικών ρυθμιστών, οι οποίοι αποδίδονται σε συγκεκριμένο ρόλο στην πρώιμη ενεργοποίηση του συστήματος, πολλά ερωτήματα παραμένουν άλυτα. Πρώτα απ 'όλα, δεν είναι σαφές πώς ρυθμίζεται η πρωτογενής συσσώρευση των μορίων σηματοδότησης και των υποδοχέων τους. Υπάρχει μια υπόθεση ότι ένας ορισμένος αριθμός μορίων σηματοδότησης και οι υποδοχείς τους είναι συνεχώς παρόντες στα κύτταρα και η πρωταρχική τους συσσώρευση συμβαίνει σύμφωνα με τον ίδιο αυτοσυντηρούμενο μηχανισμό, ενώ μέρος της ενδοκυτταρικής δεξαμενής αυτών των ενώσεων δαπανάται για τη σύνθεση σηματοδότησης μόρια και υποδοχείς. Το υπόλοιπο απεκκρίνεται από τα κύτταρα και, με την επίτευξη της συγκέντρωσης κατωφλίου, επαναρροφάται και πυροδοτεί την έκφραση των γονιδίων-στόχων. Ωστόσο, με βάση τα χαρακτηριστικά της λειτουργίας ορισμένων τύπων συστημάτων QS, αυτό φαίνεται απίθανο. Ο James P. Pearson, αντίθετα, πιστεύει ότι η αρχική εκτόξευση του QS πραγματοποιείται με τη βοήθεια μη ειδικών ρυθμιστών μεταγραφής όπως π.χ. MvaT και Vfr (Vειρωνεία φάηθοποιοί rρυθμιστής) Pseudomonas aeruginosa, και το σύστημα περνά σε αυτοσυντηρούμενη κατάσταση πολύ αργότερα.