A baktériumok kollektív viselkedésének szabályozója ("quorum sensing"). Baktériumok, fogd be! Hogyan és miért kell beavatkozni az intercelluláris kommunikációba Kvórumérzékelés vagy a baktériumok társadalmi viselkedése

A biofilmekben való kolonizációhoz szükséges planktonsejtformák kialakulását, növekedését és migrációját populáció szinten szabályozzák az intercelluláris kommunikáció mechanizmusai révén. A „kvórumérzékelés” (Quorum sensing, QS) a génexpresszió kollektív koordinációs folyamata egy baktériumpopulációban, amely specifikus sejtviselkedést közvetít. A QS működési mechanizmusa a baktériumsejt genom céllókuszainak komplex hierarchikus szabályozásán alapul. Ebben az esetben a szabályozás különböző hatásszinteken történik: transzkripciós, transzlációs, poszttranszlációs.

A populáció sejtjei egy adott sejtjelre specifikus választ adnak. A mai napig megállapították, hogy a sejt-sejt kapcsolatok befolyásolják az intrapopulációs sejtdifferenciációt, a virulencia gének expresszióját, szabályozzák a növekedési folyamatokat, a mobilitás jellegét és irányát (taxis), valamint a bakteriális apoptózist és a toxinképződést.

A QS munkája egy többsejtű szervezetben a különböző szervek és szövetek funkcionális aktivitásának hormonális szabályozásával hasonlítható össze.

A Gram-pozitív és Gram-negatív mikroorganizmusok különböző jelzőrendszereket és különböző kémiai jeladókat használnak. Az előbbiek 7-8 tagú peptideket (Enterococcus spp.), ciklopeptideket (Staphylococcus spp.) szintetizálnak; második: különféle acil-homoszerin laktonok (AHL).

Tekintsük a QS munkáját a Pseudomonas aeruginosa példáján. Ennek a mikroorganizmusnak legalább három szabályozó rendszere van. A legtöbbet tanulmányozott közülük a LasI - LasR rendszer (a hosszú acilláncú AHL kémiai jelként működik); RhlI - RhlR rendszer (messenger - AHL rövid acillánccal, C4-HSL); és a kinolon PQS rendszer. E három rendszer kölcsönhatása lehetővé teszi a genom mintegy 6-10%-ának expressziójának szabályozását. A LasI - LasR rendszerben a lasI gén terméke, az AHL szintáz felelős a jelzőmolekulák bioszintéziséért. Kifejezése alapszintű, így a szignálmolekulák felhalmozódása sokáig tart, és a biológiai hatás csak a populációnövekedés stacioner fázisában kezd megnyilvánulni. A sejtekben az AHL kölcsönhatásba lép a LasR fehérjével (a lasR gén terméke, melynek expressziója szintén alapszinten van), homodimert, transzkripciós szabályozót képezve. Ez a szabályozó számos, a virulencia kialakulásában részt vevő gént aktivál, és a biofilm képződési folyamatokban aktiválja a las Box kromoszóma regulont is, amely az expresszióért felelős. különféle tényezők patogenitás (proteáz, elasztáz stb.). A LasR + AHL komplex aktiválja a második jelzőrendszert. Ez az Rhl gén promóterével való interakció után következik be. Az RhlI expressziója fehérje képződését okozza a rövid acilcsoportokat tartalmazó AHL (C4-HSL) szintéziséhez. Az rhlR gén egy fehérjét (RhlR) kódol, amely kölcsönhatásba lép a C4-HSL jelátviteli molekulákkal. Az így létrejövő RhlR + C4-HSL fehérje tandem szabályozza a biofilmmátrix különböző szerkezeti vegyületeit (alginát, ramnolipid stb.), valamint a lipázt és a piocianint kódoló gének transzkripcióját. Ezenkívül ez a transzkripciós szabályozó aktiválja egy másik szabályozó - az RpoS (a P. aeruginosa stacionárius növekedési fázisának szigmafaktora) - expresszióját, amely elindítja a stresszfehérjék képződését a sejtben, és részt vesz az adaptív reakciókban. A P.aeruginosa klinikai izolátumai közül azt találták, hogy az AHL jelátviteli rendszerek működése mellett párhuzamosan lép be a kinolonrendszer (génlókusz - pqsABCDE), a hírvivők a hidroxialkilkinolonok és a hidroxi-eptilkinolonok. Ez a rendszer ugyanúgy működik, mint a fent leírt szabályozó mechanizmusok, és közvetíti a virulencia faktorok expressziójának növekedését, különösen az elasztáz és a lektinek szintézisét. A három jelzőrendszer kölcsönhatása befolyásolja nagyszámú gének, amelyekhez kapcsolódóan a transzkripció globális szabályozása zajlik, ami a sejt élettani folyamatainak nagyon rugalmas labilitásához vezet, és a baktériumok populációban lévő hatalmas adaptációs potenciáljának következménye.

A jelzőrendszerek az autoindukció elvén működnek, a szintetizált jelzőmolekulák saját sejtjükre hatnak, és az extracelluláris környezetben felhalmozódva egyre több függő promoter, a sejtgenom regulonja aktiválódik. AHL-alapú QS-t számos Gram-negatív baktériumban találtak: Acinetobacter, Aeromonas, Brucella, Burkholderia, Erwinia, Enterobacter, Chromobacterium, Hafnia, Serratia, Vibrio, Yersinia stb. magának a jelzőmolekulának a szerkezete.

A Gram-negatív baktériumok klinikai izolátumai között azonban gyakran megfigyelhető az áthallás kommunikáció, amely biztosítja a különböző fajok populációinak kölcsönhatását a fertőző fókuszban. A kereszt-QS aktiválhatja és gátolja a függő célgéneket a bakteriális asszociációkban. Például a P. aeruginosa, a Serratia liquefaciens, az Aeromonas hydrophila egyfajta jelátviteli molekulát szintetizál. A C. violaceum és az A. hydrophila QS-ét gátolják a hosszú acilcsoportokat tartalmazó AHL-molekulák, amelyeket különféle gram-negatív mikroorganizmusok szintetizálnak. A Pseudomonas aeruginosa hosszú és rövid acilcsoportokat tartalmazó jelzőmolekulákat képez, amelyek nem gátolják egymást, ugyanakkor az azonos molekulaszerkezetű, hosszú acilcsoportokat tartalmazó E. coli messengerek képesek gátolni a P. aeruginosa rhl jelátviteli rendszert. A P. aeruginosa és a Burkholderia cepacia vegyes biofilmjeiben a Burkholderia reagál a Pseudomonas aeruginosa jelzéseire (amely viszont érzéketlen a B. cepacia jeleire), ezért a P. aeruginosa populáció szabályozza társának számos élettani folyamatát. Bizonyíték van arra, hogy egyes iscidosisos betegekből izolált P. aeruginosa törzsek nem képesek maguk szintetizálni az rhl-jelzőrendszer autoinduktorait, ami a virulencia csökkenését és a biofilmek hiányos képződését eredményezi az in vitro kísérletekben. Azonban in vivo ugyanazok a Pseudomonas aeruginosa törzsek alkotnak teljes biofilmet. Megállapítást nyert, hogy az ugyanazon betegek nyálkahártyájából izolált mikroflóra rhl-autoinduktorokat szintetizál, így szabályozza a P. aeruginosa biofilmek virulenciáját és képződését, és beindítja a fertőzési folyamatot. Maguk az AHL-molekulák eltérően hatnak más baktériumcsoportokra; A prokarióták jelzőmolekulái befolyásolhatják a gomba-, növényi, sőt állati sejtek viselkedését is. Így a P. aeruginosa AHL elnyomja a Candida albicans filamentációs folyamatát.

Emberben az AHL molekulák gátolják a leukocita proliferációt és a tumor nekrózis faktor b képződését. Magas koncentrációban az AHL apoptózist indít el különböző típusok immunkompetens sejtek. Általában a bakteriális autoinduktorok immunszuppresszív hatást fejtenek ki. A QS-reakcióknak köszönhető, hogy a lakosságon belül „társadalmi” kapcsolatok alakulnak ki, kialakul egy biofilm „kémiai kommunikációs hálózata”, amely egy többvízi közösséget is lefedhet.

Nem kevésbé érdekes a jelzőrendszerek munkája a gram-pozitív mikroorganizmusok között. Például Enterococcus spp. A QS szabályozza a plazmidok átvitelét (a donortól a recipiens sejtig) a konjugációs mechanizmuson keresztül. A recipiens sejt specifikus peptid szignált ("szex" bakteriális feromon) szintetizál, amely a tápközegben felhalmozódik, és specifikusan kötődik a donor sejtek receptoraihoz, amelyek ennek a feromonnak megfelelő plazmidot hordoznak. Az ebben az esetben elindított szabályozórendszer biztosítja a sejtkölcsönhatást és a plazmidtranszfert közvetítő faktorok (konjugációs komponensek) kifejeződését. Ahogy fentebb megjegyeztük, egy specifikus feromon egy bizonyos plazmidnak felel meg. A kölcsönhatás ilyen szigorú mechanizmusa miatt a sejtek bakteriális szelekciója történik a biofilmen belül. Az ilyen kommunikáció révén az antibiotikum-rezisztencia géneket, hemolizin géneket és bakteriocinokat hordozó plazmidok áthelyeződnek. Jellemzően a biológiailag aktív szignálpeptideket a kromoszóma kódolja, a feromonokhoz affinitást biztosító receptorfehérjéket pedig maguk a plazmidok kódolják. A plazmid a befogadó sejtbe történő transzlokációja után megkezdi a feromon inhibitorok szintézisét, minden feromontípusnak megvan a maga inhibitora. Ez a tulajdonság lehetővé teszi, hogy kikapcsolja a jelet egy meglévő plazmid esetében, és fokozza a feromonmolekulák felhalmozódását egy másik típusú plazmid esetében. biofilm mikroorganizmus sejt

A biofilm populációban egy ilyen rendszer működése miatt a jótékony tulajdonságokkal rendelkező törzsek pozitív szelekciója és a negatív szelekció - a "felesleges" fenotípusú törzsek eliminálása - folyamatosan előfordul. Nál nél fertőző elváltozások a mobil genetikai elemek átvitelére szolgáló ilyen kommunikatív mechanizmusok lehetővé teszik az antibiotikum-rezisztencia, virulencia és további fiziológiai képességek génjeinek maximális sebességgel történő terjesztését.

A legérdekesebb a QS, amely a virulencia faktorok expressziójának szabályozásában vesz részt staphylococcusokban. Ennek a rendszernek a genetikai alapja az agrABCD - a kromoszómális lókusz. Jelátvivőként a ciklopeptidek hatnak - autoinduktorok (AIP, autoindukáló peptid), amelyeket szerkezet és biológiai hatás alapján csoportokba és alcsoportokba sorolnak, például a S. aureus 1. és 4. alcsoportja fokozza a virulencia faktorok expresszióját. Ezek a molekulák rendkívül specifikusak, a vegyület szerkezetében akár egy aminosav pótlása a biológiai funkció elvesztéséhez vezet. Az enterococcusok szignál-inhibitor rendszerének példáihoz hasonlóan a staphylococcus rendszer csak egyfajta autoinduktorra reagál, amint a sejt specifikus jelet kapott, az inhibitor gének aktiválódnak, és a sejt már nem képes más jeleket észlelni. . Ez a mechanizmus merev populációszelekciót biztosít. A szintetizált szignálmolekulák kölcsönhatásba lépnek a hisztidin-kináz membránrendszerrel (agrC), amely reakciókaszkádon keresztül aktiválja a transzkripciós szabályozót (agrA). Ez a fehérje bifunkcionálisan szabályozza a két P2 és P3 promotert. Ennek megfelelően ezen függő gének transzkriptumai az RNS II és RNS III, az előbbi tartalmazza a fő agr géneket, így a rendszer autoinduktív válasza nyilvánul meg. Az RNS III viszont szabályozza a virulencia faktorok (DNáz, fibrinolizin, enterotoxin, b-, c-, d-toxinok stb.) szintézisét. A szabályozás ezen szakaszában egy érdekes jellemző, hogy az 500 bp méretű RNS III transzkriptum nem hordoz kódolt információt, kivéve egy nyitott leolvasási keretet a d-toxin számára. Maga a transzkriptum molekula túlnyomó többsége riboszómális inhibitorként működik. Az RNS III blokkolja a Rot virulencia-elnyomó faktor (toxinok represszora) transzlációját, amely szabályozza a staphylococcus toxinok szintézisét, ami az exotoxinok ellenőrizetlen képződését eredményezi. Így az agr rendszer biztosítja a staphylococcus virulencia faktorok expressziójának populációs szabályozását. A PCR-vizsgálatok különböző változatait felhasználva azt találták, hogy az agr-lókusz sejtekben történő expressziója számos staphylococcus lézióban megfigyelhető: bőrfertőzések, endocarditis, arthritis, szepszis. A biofilm populáció a sejtek túlnyomó többsége által szintetizált jelzőmolekulákat halmoz fel, amelyek a populáció metabolikus és genetikai „magja, kvóruma”, ezek határozzák meg minden sejt metabolikus viselkedését, fenotípusos változásait. Ez annak köszönhető, hogy az autoindukciós tulajdonságon keresztül felhalmozódnak a jelek, és egy párhuzamos gátlási mechanizmus következtében gátolja a kisebbség, vagy általában a biofilm más törzsei által szintetizált jeleket. 1.5 A biofilmek klinikai jelentősége.

Ötletek a biofilmekkel kapcsolatban, felhasználásával megerősítve modern módszerek vizualizációk, megváltoztatták a látásmódunkat fertőző betegségek. Minden új adat arra utal, hogy a krónikus fertőzések alapvetően eltérnek az akut fertőzésektől a biofilmek képződésével, és a makroorganizmus fagocitái nem képesek felszívni a biofilmeket, ellentétben az egyedekkel. bakteriális sejtek.

A biofilmek létezése krónikus fertőzésekben teljesen új megközelítést igényel a diagnózis és a kezelés terén. Ezenkívül a hagyományos bakteriológiai módszerek nem mutatják ki a fertőzési folyamatban részt vevő baktériumok többségét. A legújabb molekuláris, genomiális, transzkripciós és proteomikai módszerek lehetővé tették annak meghatározását, hogy a tiszta tenyészet izolálásakor a kórokozó mikrobiocenózisos sejtek csak körülbelül 1%-a határozható meg. Ennek eredményeként a kezelés csak 1-2 baktériumfajt céloz meg a biofilmben jelenlévő számos törzs közül (esetleg gombákat is beleértve).

A mai napig megbízhatóan igazolták a mikrobiális biofilmek szerepét az olyan gyakori betegségek előfordulásában és kialakulásában, mint a Staphylococcus aureus és más Gram-pozitív mikroorganizmusok által okozott vaszkuláris katéterezéssel összefüggő fertőzések; a szívbillentyűk és ízületi protézisek staphylococcusok által okozott fertőzései; számos szájüregi mikroorganizmus által okozott parodontitis; E. coli és más kórokozók által meghatározott húgyúti fertőzések; középfülgyulladások - például Haemophilus influenzae, P. aeruginosa által okozott cisztás fibrózis stb.

Mindezeket a betegségeket nehéz kezelni, nagy a kiújulási arányuk, és némelyikük okozhat halálozások. A biofilmképző mikroorganizmusok okozta mechanizmusok kóros folyamatok a makroorganizmusban.

A gazdaszöveteken kívül a mikrobiális biofilmek kolonizálják az emberi szervezetbe juttatott különféle nem biológiai orvosi eszközöket (katéterek, pacemakerek, szívbillentyűk, ortopédiai eszközök). A beültetett orvosi eszközök elektronmikroszkópos vizsgálata kimutatta a bakteriális biofilmek jelenlétét.

Az antibiotikum-rezisztencia fokozódása és a bakteriális biofilmek kialakulása komoly kihívást jelent a húgyúti fertőzések kezelésében.

Megállapítást nyert, hogy a megnövekedett rezisztencia hátterében a sejtek és az extracelluláris mátrix tulajdonságai állnak. A biofilm mátrix megkötheti és/vagy inaktiválhatja az antibiotikumokat, vagy nem. A biofilm sejtek tulajdonságaiból adódó rezisztenciát az egymással való érintkezés miatti szabad felületük csökkenésével magyarázzák, valamint speciális baktériumok, úgynevezett perzisztorok képződésével.

A perziszterek altruista sejtek, amelyek a növekedés stacionárius fázisában képződnek, metabolikusan inaktívak és biztosítják az anyai populáció túlélését olyan tényezők jelenlétében, amelyek minden sejt számára letálisak. A biofilmekben ez az alpopuláció a teljes sejttömeg 1-5%-a. Az ilyen sejtek kialakulása a populációnövekedés mértékétől függ, a log fázisban a tenyészet nem, vagy nagyon kis hányadát alkotja a perzisztenseket, számuk az állófázis felé növekszik. Az alpopuláció kialakulása fordítottan függ az összes biofilm sejt metabolikus aktivitásának szintjétől, valamint az exogén kedvezőtlen tényezők hatásától. A perzisztor fenotípust érdekes biológia jellemzi, lelassítják az összes élettani folyamatot, és toleránssá válnak különböző tényezők, köztük az antimikrobiális szerek hatásával szemben.

Az antibiotikum-tolerancia tulajdonsága eltér a rezisztencia mechanizmusától. A bakteriális rezisztencia összes mechanizmusának hatása lényegében egyetlen jelenségre redukálható - ez az antibiotikum és a célpont kölcsönhatásának megelőzése (magukban a célpontokban bekövetkező változások vagy az antibiotikumokat semlegesítő enzimek szintézise révén) ). A toleranciát a mikrobiális sejt azon képessége közvetíti, hogy antibiotikum jelenlétében az anyagcsere lelassítása és a sejt fő biológiai folyamatainak „kikapcsolása” révén képes túlélni.

A baktériumok antibiotikumokkal szembeni rezisztenciáját növelő fő mechanizmusok a biofilmekben:

1. az antibiotikumok biofilmeken keresztüli behatolásának korlátozása;

2. a táplálékkorlátozás és a megváltozott mikrokörnyezet a biofilmben a baktériumok osztódási sebességének csökkenéséhez vezet, aminek következtében kevesebb célpontja van az antibiotikumok hatásának;

3. adaptív reakciók;

4. biofilmben fennmaradó baktériumok génvariabilitása.

A felhalmozott adatokból az következik, hogy az antibiotikumok két típusra oszthatók a biofilmekben lévő baktériumokra gyakorolt ​​hatás szerint. Az első közé tartoznak az antibiotikumok, amelyek áthatolnak a biofilmeken, és gátolják vagy elpusztítják az azokat alkotó mikroorganizmusokat. A második típus az antibiotikumok, amelyek gyakorlatilag nem hatolnak be a biofilmekbe, de hatékonyan megakadályozzák azok megtelepedését a vándorló baktériumok miatt. Így egyes antibiotikumok nem hatolnak be a biofilmekbe, és nem pusztítják el a meglévő közösségeket, csak megakadályozzák számuk növekedését és eloszlását az emberi szervezetben. Ezzel kapcsolatban az elmúlt években elkezdődtek az antibiotikumok különböző mikrobák biofilmjein való behatolási képességére vonatkozó vizsgálatok.

Azt találták, hogy az ampicillin gyengén hatol be a Klebsiella pneumoniae biofilmekbe, az ampicillin, a ko-trimaxosole és a vancomycin pedig az Enterococcus faecalis közösségekbe. A széles körben használt amoxicillin rosszul hatol be számos mikroba biofilmjébe.

A fluorokinolonok azon antibiotikumok közé tartoznak, amelyek jól áthatolnak a sejtlipideken. Az antimikrobiális gyógyszerek ezen csoportja képes hatni a fő kórokozókra. urológiai betegségek, megfelelő koncentrációban behatol a fertőzés fókuszába. Az antibiotikumok alkalmazásával kapcsolatos eddigi tapasztalatok azt mutatják, hogy a fertőző folyamattal, elsősorban annak klinikai megnyilvánulásai, kezelhető antibiotikumokkal, mind a behatoló, mind a nem áthatoló biofilmekkel. Van azonban köztük különbség, és ez elég jelentős. Kimutatták, hogy a biofilmbe behatoló és a nem áthatoló antibiotikumok közötti különbségek a kezelés hosszú távú eredményeiben is megnyilvánulhatnak. A biofilmbe nem jól behatoló antibiotikumok alkalmazása rezisztens törzsek kialakulásához és szelekciójához vezet. Ezenkívül gyakrabban fordulnak elő relapszusok, és krónikus folyamatok gócai képződnek.

A biofilmekre kifejtett terápiás hatás irányulhat a baktériumok felülethez való kezdeti tapadásának, a polimer mátrix szintézisének vagy tönkremenetelének blokkolására, a sejtközi információcsere megzavarására, valamint magával a baktericid szerekkel is kombinálható. Az ilyen kezelés, amely befolyásolja a biofilmek szerkezetét vagy működését, hatékonyabb lehet, mint a szokásos antibiotikus terápia.

Ez a grafikon egy "molekuláris kapcsoló" működését szemlélteti, amely egy világító baktérium viselkedését szabályozza. Vibrió baktérium harveyi két jelzőanyag (AI-1 és AI-2) koncentrációjától függően, amelyeket a baktériumok az egymással való kommunikációra használnak. A vízszintes tengelyek mentén két anyag koncentrációja, függőleges tengely a baktérium adott kémiai jelre adott reakciójának erősségének reciproka. Látható, hogy a „molekuláris kapcsolónak” három stabil állapota van: „kék” (mindkét anyag koncentrációja magas, a reakció maximális), „zöld” (az egyik anyag koncentrációja, a kettő közül bármelyik, magas, a másik alacsony, a reakció közbenső) és "piros" (mindkét anyag koncentrációja alacsony, a reakció minimális). Rizs. a szóban forgó cikkből PLoS biológia

Sok élő szervezet kollektív döntéseket hoz demokratikusan az úgynevezett „kvórumérzékelés” révén. Ez gyakran abban nyilvánul meg, hogy a zsúfoltság növekedésével az egyének összessége szervezett csapattá alakul (közösség, nyáj, tömeg). Az ilyen átalakulás alapelvei hasonlóak a különböző szervezetekben - a baktériumoktól az állatokig. Ezt bizonyítja két új vizsgálat eredménye, amelyek közül az egyiket világító baktériumokon, a másikat atlanti heringen végezték el. A baktériumok az általuk kiválasztott anyagok küszöbkoncentrációjának elérésekor kezdenek együtt izzani, a halakban pedig a napszak és a küszöbérték populációsűrűség jelzésül szolgál többmilliós szervezett állományok kialakulásához.

"Quorum Sense" ( Kvórumérzékelés) egy olyan, a természetben elterjedt mechanizmus, amely lehetővé teszi szervezetcsoportok számára, hogy összehangolt, összehangolt cselekvéseket hajtsanak végre – ahogyan azt egy többsejtű szervezet sejtjei folyamatosan teszik. Egy többsejtű szervezetben azonban a sejtek viselkedésének koherenciáját speciális központosított vezérlőrendszerek (például idegrendszer) biztosítják. Különálló, független szervezetek csoportjában általában nincsenek ilyen központosított irányítási rendszerek, így a cselekvések összehangolása más módon is biztosított, beleértve a „kvórumérzet” használatát is.

Ezt a jelenséget leginkább egysejtű szervezetekben lehet tanulmányozni, amelyekben a koherens csoportviselkedés általában egyfajta kémiai „szavazáson” alapul. Például egy populációban minden baktérium kiválaszt egy jelzőanyagot, és amikor ennek az anyagnak a koncentrációja a környezetben elér egy bizonyos küszöbértéket, az összes sejt egyhangúan megváltoztatja viselkedését (például „vontatást” kezdenek érezni egymás felé és nagy csoportokba gyűlnek). Molekuláris szinten a mikrobák viselkedésében bekövetkező változást bizonyos gének aktivitási szintjének éles (néha görcsös) változása biztosítja, válaszul a jelzőanyagra reagáló receptorok gerjesztésének küszöbértékére. Az egyik első tárgy, amely a kvórumérzetet vizsgálta, egy világító baktérium volt. Vibrio fischeri, amely a jegyzetben szerepel A tintahal és a világító baktériumok szimbiózisa egyetlen géntől függ, "Elemek", 2009.02.06.

A zsúfoltság általában a kulcsfontosságú jelzés, amely kiváltja sok különböző egyén átalakulását egyetlen összetartó közösséggé. Például, Vibrio fischeri nem világít, amíg a mikrobiális populáció sűrűsége alacsony marad. Azonban egy bizonyos sűrűségi küszöb elérésekor (ami például a tintahal világító szervében történik, ahol a baktériumok számára ideális feltételeket biztosítanak az élethez) minden mikroba egyszerre kezd izzani, és a tintahal zseblámpát kap a vadászathoz. sötétben.

A többsejtű szervezetekben a "kvórumérzékelés" és a gyors összehangolt viselkedési változások szintén elterjedtek, bár kevésbé jól ismertek, mint az egysejtű szervezetekben. Néha az egyéni életről a koherens csoportviselkedésre való átmenet valóban drámai lehet, mint például a sáska esetében (lásd: A szerotonin két óra alatt ragadozó fosztogatóvá varázsolja a szerény sivatagi sáskákat, "Elemek", 2009.02.10). Jellemző, hogy a sáskáknál az állománysűrűség (zsúfoltság) szabályozza az állományviselkedésre való átmenetet, ugyanúgy, mint a fényesség. Vibrio fischeri.

A múlt héten két érdekes cikk jelent meg a kvórumérzet vizsgálatáról két nagyon különböző organizmusban - világító baktériumokban. Vibrio harveyi(közeli rokonok V. fischeri) és az atlanti heringben. Mindkét munka új módszerek alkalmazásán alapul, és mindkét esetben a vizsgált objektumok figyelembevételi körének gyökeres változásáról beszélünk. A mikrobák esetében a skálát részletesebbre kicsinyítették: általában nagy mikrobapopulációk együttes reakcióját vizsgálják (például a ragyogás általános erősségét), de ebben az esetben a kutatók a az egyes mikrobák viselkedése. Nagyon nagy tárgyak, például sok milliós heringállományok vizsgálatakor általában kis mintákra kell szorítkozni, amelyek alapján nehéz megítélni az állomány egészét. A kutatók azonban ezúttal a nagy vízterületek rendkívül érzékeny echolokációs szkennelésének három éve feltalált módszerét alkalmazták ( Makris et al., 2006), amely lehetővé tette a több tíz kilométeres rajok kialakulásának valós időben történő megfigyelését.

A hering viselkedését az ívási területen figyelték meg Maine-i öböl 2006 ősz. Kiderült, hogy az ívási időszakban a hering minden este hatalmas, akár negyedmilliárd egyedből álló halmazokká szerveződik, amelyek összehangoltan és barátságosan úsznak a sekély vízben, ahol a hering ívik.

Napközben a halak külön úsznak a fenék közelében mély helyeken, ahol sokkal kevesebb ragadozó van, mint a sekély vízben. Nem sokkal napnyugta előtt a hering fokozatosan felhalmozódik 160-190 m mélységben.Eleinte a halak sűrűsége lassan növekszik. Abban a pillanatban azonban, amikor a sűrűség eléri a 0,2 hal/négyzetméter küszöbértéket, a hal viselkedése gyökeresen megváltozik. A halak hirtelen egymás felé rohannak, és sűrű fürtöt alkotnak (2-5 hal négyzetméterenként), amely egyfajta „kristályosodási központtá” válik egy óriási nyáj számára. Ebből a kezdeti gyülekezőből gyorsan terjed a megváltozott viselkedés „hulláma”: a halak látják, hogy rokonaik már rohantak gyűjteni, ők maguk pedig egymás felé kezdenek úszni.

Ennek eredményeként a halak felhalmozódása olyan sebességgel növekszik, amely egy nagyságrenddel nagyobb, mint az a sebesség, amellyel egy hal úszni tud. Végül 20–30 km hosszú és körülbelül 3–4 km széles sűrű nyáj képződik, amely nyugatról keletre húzódik 160–190 m mélységben az ívó zátony északi lejtőjén. Aztán ez a hatalmas haltömeg összehangolt mozgásba kezd dél felé és fel az ívóhelyre. Most a mozgás éppen olyan sebességgel történik, amellyel a hering általában úszik. A mozgó nyáj elülső éle egyenletes és tiszta, a hátsó széle egyenetlen, elmosódott a „lemaradások” miatt, amelyek tovább húzódnak a mélyből. A hering éjszaka ívik körülbelül 50 m mélységben, és hajnalra a nyáj másnap estig szétoszlik.

Mi az értelme az ilyen viselkedésnek? Először is, a heringben való ívás kollektív dolog, a nőstényeknek együtt kell ívniuk, a hímeknek pedig közösen kell megtermékenyíteniük, ezért nagyon fontos ezeknek a halaknak a viselkedésének összehangolása. Másodszor, a legtöbb ragadozó inkább sekély vízben fog heringet, ezért előnyös, ha a halak nagy csoportokban érkeznek az ívóhelyre (lásd: A nyilvános életmód növeli a ragadozó-zsákmány rendszer stabilitását, "Elemek", 2007.10.29.), a lehető leggyorsabban végezzék el munkájukat, és térjenek vissza viszonylag biztonságos mélységbe.

A vizsgálat kimutatta, hogy a heringben, mint más „kvórumérzékkel” rendelkező élőlényeknél, hirtelen viselkedésváltozás és az egyedek rendezetlen halmazának rendezett egésszé való átalakulása következik be az egyedek küszöbkoncentrációjának elérésére válaszul (ebben az esetben , a küszöbsűrűség 0,2 egyed per négyzetméter). Hogy a hering milyen - vizuális vagy mondjuk szaglási - jelek alapján vezérli az állománysűrűség becslését, egyelőre nem ismert, és nagyon nehéz kideríteni.

Sokkal könnyebb megérteni a "kvórumérzékelés" fiziológiai mechanizmusait olyan baktériumokban, amelyek nem látnak, nem hallanak vagy nem hallanak. idegrendszerés akik számára ezért csak egy kommunikációs mód áll rendelkezésre – a kémiai, az állatok szagkommunikációjához hasonlóan.

A baktériumok „kvórumérzékelését” biztosító molekuláris genetikai rendszerek azonban nagyon összetettek lehetnek, ami jól látható a világító mikrobák példáján. Vibrio harveyi. Ezek a baktériumok három jelzőanyagot választanak ki a környezetbe - "autoinduktorokat" (autoinduktorokat, AI). Minden anyag egy receptornak felel meg, amely reagál a "saját" anyag jelenlétére a környezetben. Mindhárom receptor a LuxU szabályozó fehérje aktiválásával továbbítja a kapott jelet a sejtbe. Ez viszont egy másik fehérjét (LuxO) aktivál, amely számos kis szabályozó RNS-t kódoló gént aktivál. Ezek a szabályozó RNS-ek blokkolják a LuxR fehérjét kódoló gén működését. Utóbbi a szabályozási kaszkád kulcsszereplője: számos gén aktivitása múlik tőle, köztük azoké is, amelyek miatt a baktérium izzik.

Természetesen erre a komplex rendszerre nemcsak a lumineszcencia szabályozásához van szükség. A baktériumok viselkedésének sok más vonatkozása is függ tőle, de a ragyogást a legkönnyebb regisztrálni és mérni. Ebben a szabályozási rendszerben sok részlet már ismert, de valami rejtélyes marad. Például nem világos, miért van szükségünk három különböző jelzőanyagra és három receptorra ezekhez, ha végül minden ugyanarra az eredményre vezet: vagy egy génre LuxR bekapcsol, és akkor a mikrobák világítanak, vagy kikapcsolják, és akkor a baktériumok kialszanak. És a helyzet alapvetően nem változik attól a ténytől, hogy a LuxR sokféle gént szabályoz, és nem csak a „ragyogó géneket”. Ugyanakkor az összes ellenőrzött rendszer működése egyetlen változótól függ: a génaktivitás mértékétől LuxR. Úgy tűnik, hogy a baktériumok könnyen boldogulnak egy jelzőanyaggal és egy receptorral, vagyis egy „bemeneti” változóval, hogy egyetlen „output” változót szabályozzanak. A baktériumok azonban valamilyen oknál fogva másként gondolkodnak, és három különböző jelzőanyag segítségével kommunikálnak egymással.

Ennek a nehéz problémának a megértése érdekében a kutatók több genetikailag módosított törzset terveztek. vibrio harveyi, amelyben a kémiai kommunikációs rendszer jelentősen leegyszerűsödött. Először minden baktériumból eltávolították a három receptor egyikét kódoló gént. Most a mikrobák csak kettőre tudtak reagálni a három jelzőanyag közül (AI-1 és AI-2). Másodszor, a jelzőanyagok előállításához szükséges géneket letiltották. Ezt azért tették, hogy a kutatók teljes ellenőrzésük alatt tarthassák az AI-1 és AI-2 koncentrációját. Harmadszor, a zöld fluoreszcens fehérje gént a szabályozó kaszkádban részt vevő egyik kis szabályozó RNS szabályozó helyéhez (promoteréhez) kapcsolták. Ez lehetővé tette számukra, hogy a „kvórumérzékelés” szabályozó kaszkádjának aktiválódási fokát az egyes baktériumsejtek fluoreszcenciájának erőssége alapján sokkal pontosabban és részletesebben ítélhessék meg, mint a baktériumok természetes lumineszcenciájának erőssége. .

Kiderült, hogy mindkét jelzőanyag (AI-1 és AI-2) szinte azonos módon hat a rendszerre, és a rendszer három stabil állapot egyikében lehet:

1) Ha mindkét anyag koncentrációja alacsony, a baktériumok aktívan termelnek zöld fluoreszcens fehérjét. Ez azt jelenti, hogy a LuxR fehérje szintézise felfüggesztődik, és ezért minden gén, amelyet a LuxR fehérje blokkol, aktív, és minden gén, amelyet ez a fehérje aktivál, kikapcsol (beleértve a természetes lumineszcenciáért felelős géneket is). ).

2) Ha a koncentráció Bármi két anyag - AI-1 vagy AI-2 - a küszöbértékre emelkedik (ami körülbelül egy molekula anyagnak felel meg egy baktérium által elfoglalt térfogatonként), majd a zöld fluoreszcencia észrevehetően gyengül, de nem áll le teljesen. Ez a "köztes" állapot meglehetősen stabil. A fluoreszcencia szintje szinte változatlan marad a jelzőanyagok koncentrációinak széles tartományában - ha csak az egyik anyag koncentrációja volt nagyobb, a másiké pedig kisebb, mint a küszöbérték.

3) Végül, ha a koncentráció mindkét jelzőanyagok túllépik a küszöbszintet, a zöld fluoreszcens fehérje szintetizálása gyakorlatilag megszűnik. Ez azt jelenti, hogy a szabályozási kaszkád teljesen aktiválva van. Csak ebben az esetben kapcsol be a természetes fény.

Vagyis kiderült, hogy két jelzőanyag használatával a baktériumok olyan molekuláris "kapcsolót" tudtak létrehozni, amely nem két, hanem három stabil állapotot képes felvenni. Úgy tűnik, e három állapot mindegyikének megvan a saját be- és kikapcsolt génkészlete, vagyis a mikrobák saját „viselkedése”.

A szerzők azt sugallják, hogy ennek a kapcsolónak valójában nem is három, hanem négy stabil állapota lehet – elvégre van egy harmadik jelzőanyag is, amit nem vettek figyelembe a kísérletek során.

A szerzők szerint egy ilyen bonyolult kémiai kommunikációs rendszer lehetővé teszi a baktériumok számára, hogy a mikrobaközösség fejlődési fázisától függően szabályozzák viselkedésüket (biofilmek; lásd alább). Biofilm). Elméletileg a jelzőanyagok koncentrációja - valamint a baktériumok viselkedése - természetesen változhat a telepek fejlődése során. Vibrio harveyi, és a szerzők jelenleg bizonyítékokat keresnek erre a feltételezésre.

A heringben és a világító baktériumokban a „kvórumérzékelés” a viselkedés szinkronizálását okozza, így minden egyén azonos módon viselkedik. Ismertek azonban olyan esetek is, amikor egy populáció "bimodális" választ adott a kollektív jelekre. Ez azt jelenti, hogy ugyanaz a jel két alternatív reakció egyikét váltja ki különböző egyedekben, és az egyik vagy másik változat kiválasztását nem is az egyed genotípusa, hanem egyszerű véletlen határozhatja meg. Így a fenotípusok (viselkedés) sokfélesége érhető el, függetlenül a genotípusok sokféleségétől. A bimodális reakcióban általában a szervezet két alternatív állapotának stabilitását pozitív visszacsatolások biztosítják. A jegyzetben egy ilyen viselkedési példa található Az altruista baktériumok segítenek kannibál rokonaiknak megenni magukat("Elemek", 2006.02.27.).

Van-e „kvórumérzék” az emberekben? Úgy tűnik, erre a kérdésre a választ az úgynevezett „tömeglélektan” tudományos irodalomban kell keresni (lásd például: A. P. Nazaretyan. A tömeg és viselkedési mintái).

A mikroorganizmusok sejtközi kommunikációs rendszerét rendszernek nevezzük határozatképesség érzékelése (QS ). Ma a QS rendszert úgy határozzák meg, mint egy populációban a sűrűségindextől függően összehangolt génexpresszió rendszerét, kis jelzőmolekulák felhasználásával. Ahogy fentebb megjegyeztük, ezt a mechanizmust először Nilson írta le 1970-ben egy tengeri baktériumban. Vibrio fisheri mint biolumineszcencia szabályozó rendszer. Kezdetben azt feltételezték, hogy ez a szabályozó mechanizmus csak a nemzetség néhány közeli rokon fajára jellemző. Vibrió baktérium, azonban további vizsgálatok kimutatták, hogy ez a szabályozó mechanizmus széles körben elterjedt a mikroorganizmusok világában. Megállapítást nyert, hogy a QS rendszer segítségével a mikroorganizmusok számos életfolyamatot képesek szabályozni, különösen a patogenitást, a másodlagos anyagcserét, a biofilm képződést és még sok mást. Kimutatták, hogy a QS rendszer nemcsak baktériumokban, hanem egyes alacsonyabb rendű eukariótákban is megtalálható, például a nemzetség élesztőszerű gombáiban. Candidaés Cryptococcus. Sőt, kiderült, hogy ennek a rendszernek a segítségével a mikroorganizmusok nem csak a saját fajtájukkal képesek kölcsönhatásba lépni, hanem interregionális kommunikációt is folytathatnak, beleértve a magasabb rendű eukarióta fajokat is.

Általánosságban elmondható, hogy a QS rendszer működése számos kulcsfontosságú elven alapul (11. ábra):

1. Kis jelzőmolekulák alkalmazása - a QS rendszerben a jelátvitel egyik sejtről a másikra különböző kémiai természetű jelzőmolekulák segítségével történik.

2. A specifikus receptorok jelenléte - jelzőmolekulák nem befolyásolják közvetlenül a célgének expresszióját. A célgének aktiválása csak a jelátviteli molekulák megfelelő receptorokhoz való kötődése után következik be.

3. A sejtpopuláció sűrűségének befolyásolása - a QS rendszer csak a sejtpopuláció egy bizonyos értékének elérése után indul el, ami korrelál a jelzőmolekulák koncentrációjával a környezetben.

4. A működés önfenntartása - az új jelátviteli molekulák és receptorok szintézisének szabályozása ugyanúgy történik, mint a célgének esetében, repressziós rendszerek aktiválásának hiányában.

5. A szelektív negatív szabályozás mechanizmusainak jelenléte - a mikroorganizmusok sejtjeiben a QS-től függő és független negatív szabályozású gének egyaránt megtalálhatók, amelyek termékei képesek szelektíven kikapcsolni a QS rendszer teljes láncszemeit, vagy az egész rendszert. egy egész.

Rizs. tizenegy. Általános séma a kvórumérzékelő rendszer működése.

Ezek az alapelvek szinte minden típusú QS-rendszerre jellemzőek, függetlenül azok jellemzőitől szerkezeti szervezet. A QS rendszer indulása általában egybeesik az idővel korai fázis exponenciális növekedés, amelyet a sejtpopuláció sűrűségének gyors növekedése jellemez. Ezzel szemben a célgének expressziója általában a sejtpopuláció stacionárius fázisba való kilépésével kezdődik, és általában összetett, azaz szinte minden QS-szabályozott termék bioszintézisének rövid időn belüli kezdetét jelenti. idő. Így a QS rendszer működésének korai szakaszában a jelmolekulák és receptoraik bioszintézisének biztosítása egy bizonyos pontig, ami egybeesik a jelmolekulák maximális koncentrációjának felhalmozódásával az intercelluláris térben, ami után a QS rendszer megy. önfenntartó állapotba.

A QS rendszer korai aktiválásának hátterében álló mechanizmusok még nem teljesen tisztázottak. Annak ellenére, hogy számos különböző szabályozót fedeztek fel, amelyek bizonyos szerepet tulajdonítanak a rendszer korai aktiválásában, sok kérdés megválaszolatlan maradt. Először is nem világos, hogyan szabályozzák a jelzőmolekulák és receptoraik elsődleges felhalmozódását. Feltételezhető, hogy bizonyos számú jelátviteli molekula és receptoraik folyamatosan jelen vannak a sejtekben, és elsődleges felhalmozódásuk ugyanazon önfenntartó mechanizmus szerint történik, miközben ezen vegyületek intracelluláris készletének egy részét a jelátvitel szintézisére fordítják. molekulák és receptorok. A többi kiürül a sejtekből, majd a küszöbkoncentráció elérésekor újra felszívódik és kiváltja a célgének expresszióját. Ez azonban bizonyos típusú QS-rendszerek működési jellemzői alapján valószínűtlennek tűnik. James P. Pearson ezzel szemben úgy véli, hogy a QS kezdeti elindítása nem specifikus transzkripciós szabályozók segítségével történik, mint pl. MvaT és VFR (V irulencia f szereplők r szabályozó) Pseudomonas aeruginosa, és a rendszer jóval később kerül önfenntartó állapotba.