ბაქტერიებში კოლექტიური ქცევის („კვორუმის სენსინგი“) რეგულატორი. ბაქტერია, გაჩუმდი! როგორ და რატომ უნდა ჩაერიოთ უჯრედშორის კომუნიკაციაში კვორუმის სენსაცია ან ბაქტერიების სოციალური ქცევა

პლანქტონური უჯრედების ფორმების ფორმირება, ზრდა და მიგრაცია ბიოფილმებში კოლონიზაციისთვის რეგულირდება პოპულაციის დონეზე უჯრედშორისი კომუნიკაციის მექანიზმების მეშვეობით. „კვორუმის სენსინგი“ (QS) არის ბაქტერიულ პოპულაციაში გენის ექსპრესიის კოლექტიური კოორდინაციის პროცესი, რომელიც შუამავლობს უჯრედების სპეციფიკურ ქცევას. QS მოქმედების მექანიზმი ემყარება ბაქტერიული უჯრედის გენომის სამიზნე ადგილების კომპლექსურ იერარქიულ რეგულირებას. ამ შემთხვევაში რეგულირება ხორციელდება გავლენის სხვადასხვა დონეზე: ტრანსკრიპციული, მთარგმნელობითი, პოსტტრანსლაციური.

პოპულაციის უჯრედები კონკრეტულ ფიჭურ სიგნალზე რეაგირებენ სპეციფიკური პასუხით. დღეისათვის დადგენილია, რომ უჯრედ-უჯრედული ურთიერთობები გავლენას ახდენს უჯრედის შიდა პოპულაციაზე დიფერენციაციაზე, ვირულენტობის გენების გამოხატვაზე, არეგულირებს ზრდის პროცესებს, მობილობის ბუნებასა და მიმართულებას (ტაქსი), ასევე ბაქტერიულ აპოპტოზს და ტოქსინების წარმოქმნას.

QS-ის მუშაობა შეიძლება შევადაროთ მრავალუჯრედულ ორგანიზმში სხვადასხვა ორგანოებისა და ქსოვილების ფუნქციური აქტივობის ჰორმონალურ რეგულირებას.

გრამდადებითი და გრამუარყოფითი მიკროორგანიზმები იყენებენ სხვადასხვა სასიგნალო სისტემას და სხვადასხვა ქიმიურ სიგნალის გადამცემს. პირველი ასინთეზებს 7-8-წევრიან პეპტიდებს (Enterococcus spp.), ციკლოპეპტიდებს (Staphylococcus spp.); მეორე: აცილ-ჰომოსერინის ლაქტონების (AHL) მრავალფეროვნება.

განვიხილოთ QS-ის მუშაობა Pseudomonas aeruginosa-ს მაგალითზე. ამ მიკროორგანიზმს აქვს მინიმუმ სამი მარეგულირებელი სისტემა. მათგან ყველაზე შესწავლილი არის LasI - LasR სისტემა (AHL გრძელი აცილის ჯაჭვით მოქმედებს როგორც ქიმიური სიგნალი); RhlI - RhlR სისტემა (მესინჯერი - AHL მოკლე აცილის ჯაჭვით, C4-HSL); და ქინოლონის PQS სისტემა. ამ სამი სისტემის ურთიერთქმედება შესაძლებელს ხდის გენომის დაახლოებით 6-10%-ის ექსპრესიის რეგულირებას. LasI - LasR სისტემაში AHL სინთაზა, lasI გენის პროდუქტი, პასუხისმგებელია სასიგნალო მოლეკულების ბიოსინთეზზე. მისი გამოხატულება ბაზალურ დონეზეა, ამიტომ სიგნალის მოლეკულების დაგროვებას დიდი დრო სჭირდება და ბიოლოგიური ეფექტი იწყებს გამოვლენას მხოლოდ მოსახლეობის ზრდის სტაციონარულ ფაზაში. უჯრედებში AHL ურთიერთქმედებს LasR ცილასთან (lasR გენის პროდუქტი, რომლის ექსპრესიაც ასევე ბაზალურ დონეზეა), აყალიბებს ჰომოდიმერს, ტრანსკრიფციის მარეგულირებელს. ეს რეგულატორი ააქტიურებს ბევრ გენს, რომლებიც მონაწილეობენ ვირულენტობის ფორმირებაში, ხოლო ბიოფილმის ფორმირების პროცესებში ის ასევე ააქტიურებს las Box ქრომოსომულ რეგულონს, რომელიც პასუხისმგებელია გამოხატვაზე. სხვადასხვა ფაქტორებიპათოგენურობა (პროტეაზა, ელასტაზა და ა.შ.). LasR + AHL კომპლექსი ააქტიურებს მეორე სასიგნალო სისტემას. ეს ხდება Rhl გენის პრომოუტერთან ურთიერთქმედების შემდეგ. RhlI-ს გამოხატვა იწვევს AHL-ის სინთეზისთვის ცილის წარმოქმნას მოკლე აცილის ნარჩენებით (C4-HSL). rhlR გენი კოდირებს ცილას (RhlR), რომელიც ურთიერთქმედებს C4-HSL სასიგნალო მოლეკულებთან. მიღებული პროტეინის ტანდემი RhlR + C4-HSL არეგულირებს ბიოფილმის მატრიცის სხვადასხვა სტრუქტურული ნაერთების (ალგინატი, რამნოლიპიდი და ა.შ.), აგრეთვე ლიპაზასა და პიოციანინის მაკოდირებელი გენების ტრანსკრიფციას. ასევე, ეს ტრანსკრიპციული რეგულატორი ააქტიურებს სხვა რეგულატორის ექსპრესიას - RpoS (P. aeruginosa-ს სტაციონარული ზრდის ფაზის სიგმა ფაქტორი), რომელიც იწყებს უჯრედში სტრესის ცილების წარმოქმნას და მონაწილეობს ადაპტაციურ რეაქციებში. P.aeruginosa-ს კლინიკურ იზოლატებს შორის აღმოჩნდა, რომ გარდა AHL სასიგნალო სისტემების ფუნქციონირებისა, პარალელურად შემოდის ქინოლონური სისტემა (გენის ლოკუსი - pqsABCDE), მესინჯერები არიან ჰიდროქსიალკილქინოლონები და ჰიდროქსიჰეპტილქინოლონები. ეს სისტემა ფუნქციონირებს ისევე, როგორც ზემოთ აღწერილი მარეგულირებელი მექანიზმები და შუამავლობს ვირულენტობის ფაქტორების გამოხატვის ზრდას, კერძოდ, ელასტაზასა და ლექტინების სინთეზს. სამი სასიგნალო სისტემის ურთიერთქმედება გავლენას ახდენს დიდი რიცხვიგენები, რომლებთან დაკავშირებითაც არსებობს ტრანსკრიფციის გლობალური რეგულირება, რაც იწვევს უჯრედის ფიზიოლოგიური პროცესების ძალიან მოქნილ ლაბილურობას და არის პოპულაციაში ბაქტერიების უზარმაზარი ადაპტაციური პოტენციალის შედეგი.

სასიგნალო სისტემები მუშაობს ავტოინდუქციის პრინციპზე, სინთეზირებული სასიგნალო მოლეკულები მოქმედებენ საკუთარ უჯრედზე და უჯრედგარე გარემოში დაგროვებისას, უფრო და უფრო დამოკიდებული პრომოტორები, უჯრედის გენომის რეგულაციები აქტიურდება. AHL-ზე დაფუძნებული QS ნაპოვნია ბევრ გრამუარყოფით ბაქტერიაში: Acinetobacter, Aeromonas, Brucella, Burkholderia, Erwinia, Enterobacter, Chromobacterium, Hafnia, Serratia, Vibrio, Yersinia და ა.შ. თავად სასიგნალო მოლეკულის სტრუქტურებში.

თუმცა, გრამუარყოფითი ბაქტერიების კლინიკურ იზოლაციებს შორის ხშირად შეინიშნება ჯვარედინი კომუნიკაცია, რაც უზრუნველყოფს ინფექციურ ფოკუსში სხვადასხვა სახეობის პოპულაციების ურთიერთქმედებას. Cross-QS შეუძლია გაააქტიუროს და დათრგუნოს დამოკიდებული სამიზნე გენები ბაქტერიულ ასოციაციებში. მაგალითად, P. aeruginosa, Serratia liquefaciens, Aeromonas hydrophila ასინთეზირებენ ერთი ტიპის სასიგნალო მოლეკულებს. C.violaceum-ისა და A.hydrophila-ს QS ინჰიბირებულია AHL მოლეკულებით ხანგრძლივი აცილის ნარჩენებით, რომლებიც სინთეზირებულია სხვადასხვა გრამუარყოფითი მიკროორგანიზმების მიერ. Pseudomonas aeruginosa აყალიბებს სასიგნალო მოლეკულებს გრძელი და მოკლე აცილის ნარჩენებით და ისინი არ არიან ურთიერთდათრგუნული, თუმცა, E. coli იმავე მოლეკულური სტრუქტურის მესინჯერებს გრძელი აცილის ნარჩენებით შეუძლიათ დათრგუნონ P. aeruginosa rhl სასიგნალო სისტემა. P.aeruginosa-სა და Burkholderia cepacia-ს შერეულ ბიოფილმებში Burkholderia პასუხობს Pseudomonas aeruginosa-ს სიგნალებს (რომელიც თავის მხრივ არ არის მგრძნობიარე B.cepacia სიგნალების მიმართ), შესაბამისად, P.aeruginosa პოპულაცია არეგულირებს მისი ასოცირებულის ბევრ ფიზიოლოგიურ პროცესს. არსებობს მტკიცებულება, რომ ისციდოზის მქონე პაციენტებისგან იზოლირებული P. aeruginosa-ს ზოგიერთ შტამს არ შეუძლია თავად rhl- სასიგნალო სისტემის ავტოინდუქტორების სინთეზირება, რაც იწვევს ვირულენტობის შემცირებას და ბიოფილმების არასრულ ფორმირებას in vitro ექსპერიმენტებში. თუმცა, in vivo, Pseudomonas aeruginosa-ს იგივე შტამები ქმნიან სრულ ბიოფილებს. დადგინდა, რომ იგივე პაციენტების ლორწოსგან გამოყოფილი მიკროფლორა სინთეზირებს rhl-ავტოინდუქტორებს, რითაც არეგულირებს P.aeruginosa ბიოფილმების ვირულენტობას და წარმოქმნას და იწყებს ინფექციურ პროცესს. თავად AHL მოლეკულები განსხვავებულად მოქმედებს ბაქტერიების სხვა ჯგუფებზე; პროკარიოტების სასიგნალო მოლეკულებს ასევე შეუძლიათ გავლენა მოახდინონ სოკოების, მცენარეების და ცხოველური უჯრედების ქცევაზე. ამრიგად, P. aeruginosa AHL თრგუნავს Candida albicans-ის ძაფის პროცესს.

ადამიანებში, AHL მოლეკულები აფერხებენ ლეიკოციტების პროლიფერაციას და სიმსივნური ნეკროზის ფაქტორის წარმოქმნას ბ. მაღალი კონცენტრაციის დროს AHL იწვევს აპოპტოზს განსხვავებული ტიპებიიმუნოკომპეტენტური უჯრედები. ზოგადად, ბაქტერიულ აუტოინდუქტორებს აქვთ იმუნოსუპრესიული ეფექტი. QS-ის რეაქციების გამო ხდება „სოციალური“ ურთიერთობები მოსახლეობის შიგნით, იქმნება ბიოფილმის „ქიმიური საკომუნიკაციო ქსელი“, რომელსაც შეუძლია დაფაროს მრავალწყლიანი საზოგადოება.

არანაკლებ საინტერესოა გრამდადებითი მიკროორგანიზმების სასიგნალო სისტემების მუშაობა. მაგალითად, Enterococcus spp. QS არეგულირებს პლაზმიდების გადაცემას (დონორიდან მიმღებ უჯრედებამდე) კონიუგაციის მექანიზმით. მიმღები უჯრედი ასინთეზირებს სპეციფიკურ პეპტიდურ სიგნალს („სქესის“ ბაქტერიული ფერომონი), რომელიც გროვდება გარემოში და კონკრეტულად უკავშირდება დონორი უჯრედების რეცეპტორებს, რომლებიც ატარებენ პლაზმიდს, რომელიც შეესაბამება ამ ფერომონს. ამ შემთხვევაში ამოქმედებული მარეგულირებელი სისტემა უზრუნველყოფს უჯრედული ურთიერთქმედების და პლაზმური გადაცემის შუამავალი ფაქტორების გამოხატვას (კონიუგაციის კომპონენტები). როგორც ზემოთ აღინიშნა, სპეციფიკური ფერომონი შეესაბამება გარკვეულ პლაზმიდს. ურთიერთქმედების ასეთი მკაცრი მექანიზმის გამო ხდება ბიოფილმის შიგნით უჯრედების ბაქტერიული შერჩევა. ასეთი კომუნიკაციის საშუალებით ხდება პლაზმიდების გადაადგილება, რომლებიც ატარებენ ანტიბიოტიკორეზისტენტულ გენებს, ჰემოლიზინის გენებს და ბაქტერიოცინებს. როგორც წესი, ბიოლოგიურად აქტიური სასიგნალო პეპტიდები კოდირებულია ქრომოსომაში, ხოლო რეცეპტორული ცილები, რომლებიც უზრუნველყოფენ ფერომონებთან აფინურობას, კოდირებულია თავად პლაზმიდებში. პლაზმიდის რეციპიენტის უჯრედში გადატანის შემდეგ იწყება ფერომონის ინჰიბიტორების სინთეზი, ფერომონის თითოეულ ტიპს აქვს თავისი ინჰიბიტორი. ეს თვისება საშუალებას გაძლევთ გამორთოთ სიგნალი არსებული პლაზმიდისთვის და გააძლიეროთ ფერომონის მოლეკულების დაგროვება სხვა ტიპის პლაზმიდისთვის. ბიოფილმის მიკროორგანიზმის უჯრედი

ბიოფილმის პოპულაციაში ასეთი სისტემის ფუნქციონირების გამო მუდმივად ხდება სასარგებლო თვისებების მქონე შტამების დადებითი შერჩევა და უარყოფითი სელექცია - შტამების აღმოფხვრა "არასაჭირო" ფენოტიპებით. ზე ინფექციური დაზიანებებიმობილური გენეტიკური ელემენტების გადაცემის ასეთი კომუნიკაციური მექანიზმები შესაძლებელს ხდის ანტიბიოტიკების წინააღმდეგობის, ვირულენტობის და დამატებითი ფიზიოლოგიური შესაძლებლობების გენების გავრცელებას მაქსიმალური სიჩქარით.

ყველაზე დიდი ინტერესია QS, რომელიც მონაწილეობს სტაფილოკოკებში ვირულენტობის ფაქტორების გამოხატვის რეგულირებაში. ამ სისტემის გენეტიკური საფუძველია agrABCD - ქრომოსომული ადგილი. როგორც სიგნალის გადამცემები, ციკლოპეპტიდები მოქმედებენ - ავტოინდუქტორები (AIP, ავტო-ინდუქციური პეპტიდი), რომლებიც სტრუქტურისა და ბიოლოგიური ეფექტის მიხედვით კლასიფიცირდება ჯგუფებად და ქვეჯგუფებად, მაგალითად, 1 და 4 ქვეჯგუფები S. aureus-ში ზრდის ვირულენტობის ფაქტორების გამოხატვას. ეს მოლეკულები უკიდურესად სპეციფიკურია, ნაერთის სტრუქტურაში თუნდაც ერთი ამინომჟავის ჩანაცვლება იწვევს ბიოლოგიური ფუნქციის დაკარგვას. როგორც ენტეროკოკებში სიგნალის ინჰიბიტორის სისტემის მაგალითებში, სტაფილოკოკური სისტემა პასუხობს მხოლოდ ერთ ტიპის ავტოინდუქტორს, როგორც კი უჯრედი მიიღებს სპეციფიკურ სიგნალს, ინჰიბიტორი გენები აქტიურდება და უჯრედი ვეღარ აღიქვამს სხვა სიგნალებს. . ეს მექანიზმი უზრუნველყოფს მოსახლეობის ხისტი შერჩევას. სინთეზირებული სიგნალის მოლეკულები ურთიერთქმედებენ ჰისტიდინკინაზას მემბრანულ სისტემასთან (agrC), რომელიც ააქტიურებს ტრანსკრიპციის რეგულატორს (agrA) რეაქციების კასკადის მეშვეობით. ეს ცილა ორფუნქციურად არეგულირებს ორ პრომოტორს P2 და P3. შესაბამისად, ამ დამოკიდებული გენების ტრანსკრიპტებია რნმ II და რნმ III, პირველი შეიცავს მთავარ აგრ გენებს, რითაც ვლინდება სისტემის ავტოინდუქციური პასუხი. თავის მხრივ, რნმ III უზრუნველყოფს ვირულენტობის ფაქტორების სინთეზის რეგულირებას (დნაზა, ფიბრინოლიზინი, ენტეროტოქსინი, b-, c-, d-ტოქსინები და სხვ.). რეგულირების ამ ეტაპზე საინტერესო თვისებაა ის, რომ 500 bp RNA III ტრანსკრიპტი არ შეიცავს დაშიფრულ ინფორმაციას, გარდა d-ტოქსინის ერთი ღია წაკითხვის ჩარჩოსა. თავად ტრანსკრიპტის მოლეკულის დიდი უმრავლესობა მოქმედებს როგორც რიბოსომური ინჰიბიტორი. რნმ III ბლოკავს ვირულენტობის რეპრესიული ფაქტორის Rot (ტოქსინების რეპრესორი) ტრანსლაციის პროცესს, რომელიც არეგულირებს სტაფილოკოკური ტოქსინების სინთეზს, რაც იწვევს ეგზოტოქსინების უკონტროლო წარმოქმნას. ამრიგად, აგრ სისტემა უზრუნველყოფს სტაფილოკოკური ვირულენტობის ფაქტორების გამოხატვის პოპულაციის რეგულირებას. PCR კვლევების სხვადასხვა ვარიანტების გამოყენებით დადგინდა, რომ უჯრედებში აგრ-ლოკუსის ექსპრესია შეინიშნება ბევრ სტაფილოკოკურ დაზიანებაში: კანის ინფექციები, ენდოკარდიტი, ართრიტი, სეფსისი. ბიოფილმის პოპულაცია აგროვებს უჯრედების დიდი უმრავლესობით სინთეზირებულ სასიგნალო მოლეკულებს, რომლებიც წარმოადგენს მოსახლეობის მეტაბოლურ და გენეტიკურ „ბირთს, კვორუმს“, ისინი ადგენენ მეტაბოლურ ქცევას, ფენოტიპურ ცვლილებებს ყველა უჯრედისთვის. ეს გამოწვეულია სიგნალების დაგროვებით ავტოინდუქციის თვისებით და სხვა სიგნალების დათრგუნვით, რომლებიც სინთეზირებულია უმცირესობის მიერ, ან ზოგადად ბიოფილმის სხვა შტამების მიერ, ინჰიბირების პარალელური მექანიზმის გამო. 1.5 ბიოფილმების კლინიკური მნიშვნელობა.

იდეები ბიოფილმების შესახებ, დადასტურებული გამოყენებით თანამედროვე მეთოდებივიზუალიზაციამ შეცვალა ჩვენი შეხედულება ინფექციური დაავადებები. ყველა ახალი მონაცემი მიუთითებს იმაზე, რომ ქრონიკული ინფექციები ძირეულად განსხვავდება მწვავე ინფექციებისგან ბიოფილმების წარმოქმნით და მაკროორგანიზმის ფაგოციტები არ შეუძლიათ ბიოფილმების შთანთქმა, განსხვავებით ინდივიდუალურისგან. ბაქტერიული უჯრედები.

ქრონიკულ ინფექციებში ბიოფილმების არსებობა მოითხოვს მათი დიაგნოსტიკისა და მკურნალობის სრულიად ახალ მიდგომებს. გარდა ამისა, ტრადიციული ბაქტერიოლოგიური მეთოდები არ ავლენს ინფექციურ პროცესში მონაწილე ბაქტერიების უმეტესობას. უახლესმა მოლეკულურმა, გენომურმა, ტრანსკრიფციულმა და პროტეომულმა მეთოდებმა შესაძლებელი გახადა დადგინდეს, რომ პათოგენური მიკრობიოცენოზის უჯრედების მხოლოდ 1% განისაზღვრება სუფთა კულტურის იზოლირებისას. შედეგად, მკურნალობა ეხება მხოლოდ 1-2 ბაქტერიულ სახეობას ბიოფილმში არსებული მრავალი შტამიდან (შესაძლოა სოკოების ჩათვლით).

დღემდე საიმედოდ არის დადასტურებული მიკრობული ბიოფილმების როლი ისეთი გავრცელებული დაავადებების გაჩენასა და განვითარებაში, როგორიცაა Staphylococcus aureus-ით და სხვა გრამდადებითი მიკროორგანიზმებით გამოწვეული სისხლძარღვთა კათეტერიზაციასთან დაკავშირებული ინფექციები; სტაფილოკოკით გამოწვეული გულის სარქველებისა და სახსრების პროთეზების ინფექციები; პირის ღრუს რიგი მიკროორგანიზმებით გამოწვეული პერიოდონტიტი; E. coli და სხვა პათოგენებით განსაზღვრული საშარდე გზების ინფექციები; შუა ყურის ინფექციები - იწვევს, მაგალითად, Haemophilus influenzae, კისტოზური ფიბროზი გამოწვეული P. aeruginosa და სხვ.

ყველა ეს დაავადება ძნელად განკურნებადია, აქვს მაღალი რეციდივების მაჩვენებელი და ზოგიერთმა მათგანმა შეიძლება გამოიწვიოს გარდაცვლილთა რაოდენობა. მექანიზმები, რომლებითაც იწვევენ ბიოფილმის წარმომქმნელი მიკროორგანიზმები პათოლოგიური პროცესებიმაკროორგანიზმში.

მასპინძელი ქსოვილების გარდა, მიკრობული ბიოფილმები კოლონიზირებენ ადამიანის ორგანიზმში შეყვანილ სხვადასხვა არაბიოლოგიურ სამედიცინო მოწყობილობას (კათეტერები, კარდიოსტიმულატორები, გულის სარქველები, ორთოპედიული ხელსაწყოები). იმპლანტირებული სამედიცინო მოწყობილობების კვლევებმა ელექტრონული მიკროსკოპის გამოყენებით აჩვენა ბაქტერიული ბიოფილების არსებობა.

ანტიბიოტიკების წინააღმდეგობის გაზრდა და ბაქტერიული ბიოფილების განვითარება საშარდე გზების ინფექციების მკურნალობის მთავარი გამოწვევაა.

დადგენილია, რომ უჯრედების და უჯრედგარე მატრიქსის თვისებები საფუძვლად უდევს გაზრდილ წინააღმდეგობას. ბიოფილმის მატრიცა შეიძლება დაუკავშირდეს ან არ გაააქტიუროს ანტიბიოტიკები. ბიოფილმის უჯრედების თვისებების გამო რეზისტენტობა აიხსნება მათი თავისუფალი ზედაპირის შემცირებით ერთმანეთთან კონტაქტების გამო და სპეციალური ბაქტერიების წარმოქმნით, რომელსაც ეწოდება პერსისტერები.

პერსისტერები არის ალტრუისტული უჯრედები, რომლებიც წარმოიქმნება ზრდის სტაციონარულ ფაზაში, ისინი მეტაბოლურად არააქტიურები არიან და უზრუნველყოფენ დედის პოპულაციის გადარჩენას ყველა უჯრედისთვის ლეტალური ფაქტორების არსებობისას. ბიოფილმებში ეს ქვეპოპულაცია შეადგენს უჯრედის მთლიანი მასის 1-5%-ს. ასეთი უჯრედების ფორმირება დამოკიდებულია პოპულაციის ზრდის ხარისხზე; ლოგის ფაზაში კულტურა არ წარმოიქმნება ან წარმოქმნის მდგრადთა ძალიან მცირე ნაწილს, მათი რაოდენობა იზრდება სტაციონარული ფაზისკენ. სუბპოპულაციის ფორმირება საპირისპიროდ არის დამოკიდებული ყველა ბიოფილმის უჯრედის მეტაბოლური აქტივობის დონეზე, აგრეთვე ეგზოგენური არახელსაყრელი ფაქტორების მოქმედებაზე. მდგრადი ფენოტიპი ხასიათდება საინტერესო ბიოლოგიით, ისინი ანელებენ ყველა ფიზიოლოგიურ პროცესს და ხდებიან ტოლერანტული სხვადასხვა ფაქტორების, მათ შორის ანტიმიკრობული პრეპარატების მოქმედების მიმართ.

ანტიბიოტიკების ტოლერანტობის თვისება განსხვავდება რეზისტენტობის მექანიზმებისგან. ბაქტერიული რეზისტენტობის ყველა მექანიზმის მოქმედება, არსებითად, შეიძლება შემცირდეს ერთ ფენომენამდე - ეს არის ანტიბიოტიკის ურთიერთქმედების პრევენცია მის სამიზნეებთან (თვით სამიზნეებში ცვლილებების გამო, ან ფერმენტების სინთეზით, რომლებიც ანეიტრალებს ანტიბიოტიკებს. ). ტოლერანტობას შუამავლობს მიკრობული უჯრედის უნარი, გადარჩეს ანტიბიოტიკის არსებობისას მეტაბოლიზმის შენელებით და უჯრედის ძირითადი ბიოლოგიური პროცესების „გამორთვით“.

ბიოფილმებში ანტიბიოტიკების მიმართ ბაქტერიული წინააღმდეგობის გაზრდის ძირითადი მექანიზმებია:

1. ბიოფილმების მეშვეობით ანტიბიოტიკების შეღწევის შეზღუდვა;

2. საკვების შეზღუდვა და ბიოფილმში შეცვლილი მიკროგარემო იწვევს ბაქტერიების დაყოფის სიჩქარის შემცირებას, რის შედეგადაც ნაკლებია ანტიბიოტიკების მოქმედების სამიზნეები;

3. ადაპტაციური რეაქციები;

4. გენის ცვალებადობა ბაქტერიებში, რომლებიც შენარჩუნებულია ბიოფილმში.

დაგროვილი მონაცემებიდან გამომდინარე, ბიოფილმებში ბაქტერიებზე მოქმედების მიხედვით ანტიბიოტიკები იყოფა ორ ტიპად. პირველი მოიცავს ანტიბიოტიკებს, რომლებიც შეაღწევენ ბიოფილმებში და თრგუნავენ ან კლავენ მიკროორგანიზმებს, რომლებიც წარმოქმნიან მათ. მეორე ტიპი არის ანტიბიოტიკები, რომლებიც პრაქტიკულად არ შედიან ბიოფილმებში, მაგრამ ეფექტურად აფერხებენ მათ დასახლებას მიგრირებადი ბაქტერიების გამო. ამრიგად, ზოგიერთი ანტიბიოტიკი არ აღწევს ბიოფილმებში და არ ანადგურებს არსებულ თემებს, არამედ მხოლოდ ხელს უშლის მათ რაოდენობის ზრდას და გავრცელებას ადამიანის ორგანიზმში. ამასთან დაკავშირებით, ბოლო წლებში დაიწყო კვლევები ანტიბიოტიკების უნარზე შეაღწიონ სხვადასხვა მიკრობების ბიოფილმებში.

აღმოჩნდა, რომ ამპიცილინი ცუდად აღწევს Klebsiella pneumoniae ბიოფილმებში, ხოლო ამპიცილინი, კო-ტრიმაქსოზოლი და ვანკომიცინი ცუდად აღწევს Enterococcus faecalis თემებში. ფართოდ გამოყენებული ამოქსიცილინი ცუდად აღწევს რიგი მიკრობების ბიოფილებში.

ფტორქინოლონები იმ ანტიბიოტიკებს შორისაა, რომლებიც კარგად აღწევენ უჯრედის ლიპიდებს. ანტიმიკრობული პრეპარატების ამ ჯგუფს შეუძლია იმოქმედოს ძირითად პათოგენებზე. უროლოგიური დაავადებებისაკმარისი კონცენტრაციით აღწევს ინფექციის კერაში. ანტიბიოტიკების გამოყენების არსებული გამოცდილება გვიჩვენებს, რომ ინფექციური პროცესით, პირველ რიგში, მისით კლინიკური გამოვლინებები, შეიძლება იმართებოდეს ანტიბიოტიკებით, როგორც შეღწევადი, ასევე არაშეღწევადი ბიოფილმებით. თუმცა, მათ შორის არის განსხვავება და ის საკმაოდ მნიშვნელოვანი. ნაჩვენებია, რომ განსხვავებები ანტიბიოტიკების შეღწევად და არაშეღწევად ბიოფილებს შორის შეიძლება გამოვლინდეს მკურნალობის გრძელვადიან შედეგებში. ანტიბიოტიკების გამოყენება, რომლებიც კარგად არ აღწევენ ბიოფილმში ძალიან სწრაფად, იწვევს რეზისტენტული შტამების წარმოქმნას და შერჩევას. გარდა ამისა, უფრო ხშირად ხდება რეციდივები და იქმნება ქრონიკული პროცესების კერები.

ბიოფილმებზე თერაპიული ეფექტი შეიძლება მიმართული იყოს ბაქტერიების ზედაპირზე გადაბმის მექანიზმებზე, პოლიმერული მატრიცის სინთეზის ან განადგურების ბლოკირებაზე, უჯრედშორისი ინფორმაციის გაცვლის დარღვევაზე და ასევე შეიძლება კომბინირებული იყოს თავად ბაქტერიციდულ აგენტებთან. ასეთი მკურნალობა, რომელიც გავლენას ახდენს ბიოფილმის სტრუქტურასა და ფუნქციაზე, შეიძლება იყოს უფრო ეფექტური, ვიდრე სტანდარტული ანტიბიოტიკოთერაპია.

ეს გრაფიკი ასახავს "მოლეკულური გადამრთველის" მუშაობას, რომელიც არეგულირებს მანათობელი ბაქტერიის ქცევას. ვიბრიო ჰარვეიდამოკიდებულია ორი სასიგნალო ნივთიერების კონცენტრაციაზე (AI-1 და AI-2), რომლებსაც ბაქტერიები იყენებენ ერთმანეთთან კომუნიკაციისთვის. ჰორიზონტალური ღერძების გასწვრივარის ორი ნივთიერების კონცენტრაცია, ვერტიკალური ღერძიარის ბაქტერიის რეაქციის სიძლიერის ურთიერთმიმართება მოცემულ ქიმიურ სიგნალზე. ჩანს, რომ "მოლეკულურ გადამრთველს" აქვს სამი სტაბილური მდგომარეობა: "ლურჯი" (ორივე ნივთიერების კონცენტრაცია მაღალია, რეაქცია მაქსიმალურია), "მწვანე" (ერთი ნივთიერების კონცენტრაცია, რომელიმე ორიდან, არის მაღალი, ხოლო მეორე დაბალი, რეაქცია შუალედურია) და „წითელი“ (ორივე ნივთიერების კონცენტრაცია დაბალია, რეაქცია მინიმალურია). ბრინჯი. განსახილველი სტატიიდან PLoS ბიოლოგია

ბევრი ცოცხალი ორგანიზმი იღებს კოლექტიურ გადაწყვეტილებებს დემოკრატიულად ეგრეთ წოდებული „კვორუმის ზონდირებით“. ხშირად ეს გამოიხატება იმაში, რომ ხალხმრავლობის მატებასთან ერთად ინდივიდების მთლიანობა იქცევა ორგანიზებულ გუნდად (საზოგადოება, ფარა, ბრბო). ასეთი ტრანსფორმაციის ძირითადი პრინციპები მსგავსია სხვადასხვა ორგანიზმებში - ბაქტერიებიდან ცხოველებამდე. ამას მოწმობს ორი ახალი კვლევის შედეგები, რომელთაგან ერთი ჩატარდა მანათობელ ბაქტერიებზე, მეორე კი ატლანტის ქაშაყზე. ბაქტერიები ერთად იწყებენ ბრწყინავს, როდესაც მიიღწევა მათ მიერ გამოყოფილი ნივთიერებების ზღვრული კონცენტრაცია, ხოლო თევზებში დღის დრო და მოსახლეობის სიმჭიდროვე ზღურბლოვანი სიგნალი ემსახურება მრავალმილიონიანი ორგანიზებული ფარების ფორმირებას.

"ქვორუმის გრძნობა" ( კვორუმის ზონდირება) არის ბუნებაში გავრცელებული მექანიზმი, რომელიც საშუალებას აძლევს ორგანიზმთა ჯგუფებს განახორციელონ კოორდინირებული, კოორდინირებული მოქმედებები - ისევე როგორც მრავალუჯრედიანი ორგანიზმის უჯრედები მუდმივად აკეთებენ. ამასთან, მრავალუჯრედულ ორგანიზმში უჯრედის ქცევის თანმიმდევრულობა უზრუნველყოფილია სპეციალური ცენტრალიზებული კონტროლის სისტემებით (მაგალითად, ნერვული სისტემა). ცალკეული დამოუკიდებელი ორგანიზმების ჯგუფში, როგორც წესი, არ არსებობს ასეთი ცენტრალიზებული კონტროლის სისტემები, ამიტომ მოქმედებების კოორდინაცია უზრუნველყოფილია სხვა გზით, მათ შორის „ქვორუმის გრძნობის“ გამოყენებით.

ეს ფენომენი საუკეთესოდ არის შესწავლილი ერთუჯრედიან ორგანიზმებში, რომლებშიც თანმიმდევრული ჯგუფის ქცევა, როგორც წესი, ემყარება ერთგვარ ქიმიურ „ხმას“. მაგალითად, პოპულაციაში ყველა ბაქტერია გამოყოფს სასიგნალო ნივთიერებას და როდესაც ამ ნივთიერების კონცენტრაცია გარემოში აღწევს გარკვეულ ზღვრულ მნიშვნელობას, ყველა უჯრედი ცვლის თავის ქცევას უნისონში (მაგალითად, ისინი იწყებენ ერთმანეთის მიმართ „წევას“ და იკრიბებიან დიდ ჯგუფად). მოლეკულურ დონეზე, მიკრობების ქცევის ცვლილება უზრუნველყოფილია გარკვეული გენების აქტივობის დონის მკვეთრი (ზოგჯერ სპაზმური) ცვლილებით, რეცეპტორების აგზნების ზღურბლის დონის საპასუხოდ, რომლებიც რეაგირებენ სასიგნალო ნივთიერებაზე. ერთ-ერთი პირველი ობიექტი, რომელმაც შეისწავლა კვორუმის გრძნობა, იყო მანათობელი ბაქტერია. ვიბრიო ფიშერი, რომელიც აღნიშნულია შენიშვნაში კალმარის სიმბიოზი მანათობელ ბაქტერიებთან დამოკიდებულია ერთ გენზე, "ელემენტები", 06.02.2009წ.

ხალხმრავლობა, როგორც წესი, არის მთავარი სიგნალი, რომელიც იწვევს მრავალი განსხვავებული ინდივიდის გარდაქმნას ერთ შეკრულ საზოგადოებად. Მაგალითად, ვიბრიო ფიშერიარ ანათებს მანამ, სანამ მიკრობული მოსახლეობის სიმჭიდროვე დაბალია. თუმცა, გარკვეული სიმკვრივის ზღურბლის მიღწევის შემდეგ (რაც ხდება, მაგალითად, კალმარის მანათობელ ორგანოში, სადაც ბაქტერიებს სიცოცხლის იდეალური პირობები აქვთ), ყველა მიკრობი ერთდროულად იწყებს ბრწყინავს და კალმარი იღებს ნადირობის ფანარს. სიბნელეში.

მრავალუჯრედულ ორგანიზმებში „კვორუმის შეგრძნება“ და სწრაფი კოორდინირებული ქცევითი ცვლილებები ასევე გავრცელებულია, თუმცა ნაკლებად კარგად ესმით, ვიდრე ერთუჯრედულ ორგანიზმებში. ზოგჯერ ინდივიდუალური ცხოვრებიდან ჯგუფურ ქცევაზე გადასვლა შეიძლება მართლაც დრამატული იყოს, როგორც კალიების შემთხვევაში (იხ. სეროტონინი უდაბნოს თავმდაბალ კალიას მტაცებელ რაიდერებად აქცევს ორ საათში, „ელემენტები“, 10.02.2009). დამახასიათებელია, რომ კალიებში გადასვლა ნახირის ქცევაზე რეგულირდება მოსახლეობის სიმჭიდროვით (ხალხმრავლობა), ისევე როგორც სიკაშკაშე. ვიბრიო ფიშერი.

გასულ კვირას გამოქვეყნდა ორი საინტერესო სტატია ორ სრულიად განსხვავებულ ორგანიზმში - მანათობელი ბაქტერიების კვორუმის გრძნობის შესწავლის შესახებ. ვიბრიო ჰარვეი(ახლო ნათესავები ვ.ფიშერი) და ატლანტის ქაშაყში. ორივე ნაშრომი ეფუძნება ახალი მეთოდების გამოყენებას და ორივე შემთხვევაში საუბარია შესასწავლი ობიექტების განხილვის ფარგლების რადიკალურ ცვლილებაზე. მიკრობების შემთხვევაში, მასშტაბი უფრო დეტალურად არის შემცირებული: ჩვეულებრივ, მიკრობების დიდი პოპულაციის ერთობლივი რეაქცია შეისწავლება (მაგალითად, ბზინვარების საერთო სიძლიერე), მაგრამ ამ შემთხვევაში, მკვლევარებმა დააფიქსირეს ცვლილებები. ინდივიდუალური მიკრობების ქცევა. ძალიან დიდი ობიექტების შესწავლისას, როგორიცაა ქაშაყი მრავალმილიონიანი ფარა, ჩვეულებრივ უნდა შემოიფარგლოთ მცირე ნიმუშებით, საიდანაც ძნელია მსჯელობა სამწყსოს მთლიანობაში. თუმცა, ამჯერად მკვლევარებმა გამოიყენეს სამი წლის წინ გამოგონილი დიდი წყლის ფართობების უაღრესად მგრძნობიარე ექოლოკაციური სკანირების მეთოდი ( მაკრისი და სხვ., 2006 წ), რამაც შესაძლებელი გახადა რეალურ დროში ათობით კილომეტრის სიგრძის ფარების ფორმირებაზე დაკვირვება.

ქაშაყის ქცევა დაფიქსირდა მისი ქვირითობის არეში მაინის ყურე 2006 წლის შემოდგომა. გაირკვა, რომ ქვირითობის პერიოდში, ქაშაყი ყოველ საღამოს თვითორგანიზებას უწევს უზარმაზარ აგრეგაციას მეოთხედ მილიარდ ინდივიდამდე, რომლებიც კონცერტულად და მეგობრულად ბანაობენ არაღრმა წყალში, სადაც ქაშაყი ქვირითობს.

დღის განმავლობაში თევზი ცალ-ცალკე ბანაობს ფსკერთან ღრმა ადგილებში, სადაც გაცილებით ნაკლებია მტაცებლები, ვიდრე არაღრმა წყალში. მზის ჩასვლამდე ცოტა ხნით ადრე ქაშაყი იწყებს თანდათან დაგროვებას 160-დან 190 მ სიღრმეზე.თავიდან თევზის სიმკვრივე ნელ-ნელა იზრდება. თუმცა, იმ მომენტში, როდესაც სიმკვრივე მიაღწევს ზღვრულ მნიშვნელობას 0,2 თევზი კვადრატულ მეტრზე, თევზის ქცევა რადიკალურად იცვლება. თევზი უეცრად მიიჩქარიან ერთმანეთისკენ და ქმნიან მკვრივ მტევანს (2-5 თევზი კვ.მ-ზე), რომელიც გიგანტური ფარისთვის ერთგვარ „კრისტალიზაციის ცენტრად“ იქცევა. ამ თავდაპირველი შეკრებიდან სწრაფად ვრცელდება შეცვლილი ქცევის „ტალღა“: თევზები ხედავენ, რომ მათი ნათესავები უკვე შეგროვდნენ და ისინი თვითონ იწყებენ ერთმანეთისკენ ცურვას.

შედეგად, თევზის დაგროვება იზრდება სიჩქარით, რომელიც სიდიდის ბრძანებით აღემატება იმ სიჩქარეს, რომლითაც ცალკეულ თევზს შეუძლია ბანაობა. დაბოლოს, წარმოიქმნება მკვრივი ფარა 20-30 კმ სიგრძისა და დაახლოებით 3-4 კმ სიგანისა, რომელიც გადაჭიმულია დასავლეთიდან აღმოსავლეთისკენ ქვირითის ნაპირის ჩრდილოეთ კალთის გასწვრივ 160-190 მ სიღრმეზე. შემდეგ თევზის მთელი ეს უზარმაზარი მასა იწყებს კოორდინირებულ მოძრაობას სამხრეთისაკენ და ქვირითის ადგილამდე. ახლა მოძრაობა ხდება ზუსტად იმ სიჩქარით, რომლითაც ქაშაყი ჩვეულებრივ ბანაობს. მოძრავი ფარის წინა კიდე თანაბარი და ნათელია, უკანა კიდე არათანაბარი და ბუნდოვანია „ჩამორჩენის“ გამო, რომლებიც აგრძელებენ ასვლას სიღრმიდან. ქაშაყი ქვირითობს ღამით დაახლოებით 50 მ სიღრმეზე და გამთენიისას ფარა იშლება მეორე საღამომდე.

რა აზრი აქვს ასეთ ქცევას? ჯერ ერთი, ქაშაყში ქვირითობა კოლექტიური საკითხია, მდედრებმა ერთად უნდა იკვერცხონ და მამრებმა ერთობლივად უნდა გაანაყოფიერონ იგი, ამიტომ ამ თევზებისთვის ქცევის სინქრონიზაცია ძალზე მნიშვნელოვანია. მეორეც, მტაცებლების უმეტესობას ურჩევნია ქაშაყის დაჭერა არაღრმა წყალში, ამიტომ თევზისთვის სასარგებლოა ქვირითის ადგილზე მისვლა დიდ ჯგუფებში (იხ. საზოგადოებრივი ცხოვრების წესი ზრდის მტაცებელ-მტაცებლის სისტემის სტაბილურობას, „ელემენტები“, 29.10.2007), რაც შეიძლება სწრაფად შეასრულონ თავიანთი საქმე და დაუბრუნდნენ შედარებით უსაფრთხო სიღრმეს.

კვლევამ აჩვენა, რომ ქაშაყში, ისევე როგორც სხვა ორგანიზმებში, რომლებსაც აქვთ „კვორუმის გრძნობა“, ქცევის უეცარი ცვლილება და ინდივიდების არაორგანიზებული ნაკრების გარდაქმნა მოწესრიგებულ მთლიანობაში ხდება ინდივიდების ზღვრული კონცენტრაციის მიღწევის საპასუხოდ (ამ შემთხვევაში , ზღურბლის სიმჭიდროვე შეადგენს 0,2 ინდივიდს კვ.მ.-ზე). რა სიგნალებით - ვიზუალური თუ, ვთქვათ, ყნოსვითი - ხელმძღვანელობს ქაშაყი მოსახლეობის სიმკვრივის შეფასებისას, ჯერჯერობით უცნობია და ამის გარკვევა ძალიან რთულია.

გაცილებით ადვილია „კვორუმის შეგრძნების“ ფიზიოლოგიური მექანიზმების გაგება ბაქტერიებში, რომლებსაც არც მხედველობა აქვთ, არც სმენა და არც სმენა. ნერვული სისტემადა ვისთვისაც, მაშასადამე, კომუნიკაციის მხოლოდ ერთი საშუალებაა ხელმისაწვდომი - ქიმიური, ცხოველებში სუნის კომუნიკაციის ანალოგი.

თუმცა, მოლეკულური გენეტიკური სისტემები, რომლებიც უზრუნველყოფენ ბაქტერიებში „კვორუმის შეგრძნებას“ შეიძლება იყოს ძალიან რთული, რაც აშკარად ჩანს მანათობელი მიკრობის მაგალითზე. ვიბრიო ჰარვეი.ეს ბაქტერიები გარემოში გამოყოფენ სამ სასიგნალო ნივთიერებას – „ავტოინდუქტორებს“ (ავტოინდუქტორები, AI). თითოეული ნივთიერება შეესაბამება რეცეპტორს, რომელიც რეაგირებს გარემოში „საკუთარი“ ნივთიერების არსებობაზე. სამივე რეცეპტორი მიღებულ სიგნალს უჯრედში გადასცემს LuxU მარეგულირებელი ცილის გააქტიურებით. ის, თავის მხრივ, ააქტიურებს სხვა პროტეინს (LuxO), რომელიც ააქტიურებს რამდენიმე გენს, რომლებიც აკოდირებენ მცირე მარეგულირებელ რნმ-ებს. ეს მარეგულირებელი რნმ ბლოკავს გენის მუშაობას, რომელიც აკოდირებს LuxR ცილას. ეს უკანასკნელი მარეგულირებელი კასკადის მთავარი მონაწილეა: მასზეა დამოკიდებული მრავალი გენის აქტივობა, მათ შორის ისეთებიც, რის გამოც ბაქტერია ანათებს.

რა თქმა უნდა, ეს რთული სისტემა საჭიროა არა მხოლოდ ლუმინესცენციის რეგულირებისთვის. მასზეა დამოკიდებული ბაქტერიის ქცევის მრავალი სხვა ასპექტი, მაგრამ სიკაშკაშე ყველაზე მარტივი დასარეგისტრირება და გაზომვაა. ამ მარეგულირებელ სისტემაში ბევრი დეტალი უკვე ცნობილია, მაგრამ რაღაც საიდუმლო რჩება. მაგალითად, გაუგებარია, რატომ გვჭირდება სამი განსხვავებული სასიგნალო ნივთიერება და სამი რეცეპტორი მათთვის, თუ ყველაფერი საბოლოოდ ერთსა და იმავე შედეგზე მოდის: ან გენი. LuxRირთვება და მერე მიკრობები ანათებენ, ან გამორთულია და მერე ბაქტერიები გადიან. და საქმე ძირეულად არ იცვლება იმ ფაქტიდან, რომ LuxR არეგულირებს ბევრ განსხვავებულ გენს და არა მხოლოდ "ნათურის გენებს". ამავე დროს, ყველა კონტროლირებადი სისტემის მოქმედება დამოკიდებულია მხოლოდ ერთ ცვლადზე: გენის აქტივობის ხარისხზე LuxR. როგორც ჩანს, ბაქტერიებს ადვილად შეუძლიათ ერთი სასიგნალო ნივთიერებითა და ერთი რეცეპტორით, ანუ ერთი „შეყვანის“ ცვლადით, ერთი „გამომავალი“ ცვლადის დასარეგულირებლად. თუმცა, რატომღაც, ბაქტერიები განსხვავებულად ფიქრობენ და ურთიერთობენ ერთმანეთთან სამი განსხვავებული სასიგნალო ნივთიერების გამოყენებით.

ამ რთული პრობლემის გასაგებად, მკვლევარებმა შეიმუშავეს რამდენიმე გენმოდიფიცირებული შტამი. ვიბრიო ჰარვეი,რომელშიც საგრძნობლად გამარტივდა ქიმიური საკომუნიკაციო სისტემა. პირველი, სამი რეცეპტორიდან ერთ-ერთის მაკოდირებელი გენი ამოიღეს ყველა ბაქტერიიდან. ახლა მიკრობებს შეეძლოთ რეაგირება სამი სასიგნალო ნივთიერებიდან მხოლოდ ორზე (AI-1 და AI-2). მეორეც, გამორთული იყო სასიგნალო ნივთიერებების წარმოებისთვის აუცილებელი გენები. ეს გაკეთდა იმისთვის, რომ მკვლევარებმა შეძლონ AI-1 და AI-2 კონცენტრაციის სრული კონტროლის ქვეშ შენარჩუნება. მესამე, მათ მიამაგრეს მწვანე ფლუორესცენტული ცილის გენი მარეგულირებელ კასკადში ჩართული ერთ-ერთი მცირე მარეგულირებელი რნმ-ის მარეგულირებელ უბანს (პრომოტერს). ამან შესაძლებელი გახადა მათ შეეფასებინათ მარეგულირებელი კასკადის გააქტიურების ხარისხი "კვორუმის სენსორული" ცალკეული ბაქტერიული უჯრედების ფლუორესცენციის სიძლიერით ბევრად უფრო დიდი სიზუსტით და დეტალებით, ვიდრე ეს შეიძლება გაკეთდეს ბაქტერიების ბუნებრივი ლუმინესცენციის სიძლიერით. .

აღმოჩნდა, რომ ორივე სასიგნალო ნივთიერება (AI-1 და AI-2) მოქმედებს სისტემაზე თითქმის ერთნაირად და სისტემა შეიძლება იყოს სამიდან ერთ-ერთ სტაბილურ მდგომარეობაში:

1) თუ ორივე ნივთიერების კონცენტრაცია დაბალია, ბაქტერიები აქტიურად გამოიმუშავებენ მწვანე ფლუორესცენტულ პროტეინს. ეს ნიშნავს, რომ LuxR ცილის სინთეზი შეჩერებულია და, შესაბამისად, ყველა გენი, რომლებიც დაბლოკილია LuxR პროტეინით, აქტიურია და ყველა გენი, რომელიც აქტიურდება ამ ცილისგან, გამორთულია (ბუნებრივ ლუმინესცენციაზე პასუხისმგებელი გენების ჩათვლით. ).

2) თუ კონცენტრაცია ნებისმიერიორი ნივთიერების - AI-1 ან AI-2 - იზრდება ზღვრულ მნიშვნელობამდე (რაც შეესაბამება ნივთიერების დაახლოებით ერთ მოლეკულას თითო მოცულობით, რომელსაც იკავებს ერთი ბაქტერია), შემდეგ მწვანე ფლუორესცენცია შესამჩნევად სუსტდება, მაგრამ მთლიანად არ ჩერდება. ეს "შუალედური" მდგომარეობა საკმაოდ სტაბილურია. ფლუორესცენციის დონე თითქმის უცვლელი რჩება სასიგნალო ნივთიერებების კონცენტრაციების ფართო დიაპაზონში - თუ მხოლოდ ერთი ნივთიერების კონცენტრაცია იყო უფრო დიდი, ხოლო მეორე - ნაკლები ზღურბლზე.

3) ბოლოს თუ კონცენტრაცია ორივესასიგნალო ნივთიერებები აჭარბებს ზღვრულ დონეს, მწვანე ფლუორესცენტური ცილა პრაქტიკულად წყვეტს სინთეზს. ეს ნიშნავს, რომ მარეგულირებელი კასკადი სრულად არის გააქტიურებული. მხოლოდ ამ შემთხვევაში ირთვება ბუნებრივი ბზინვარება.

სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, აღმოჩნდა, რომ ორი სასიგნალო ნივთიერების გამოყენებამ ბაქტერიებს საშუალება მისცა შეექმნათ მოლეკულური „ჩამრთველი“, რომელსაც შეუძლია მიიღოს არა ორი, არამედ სამი სტაბილური მდგომარეობა. ამ სამი მდგომარეობიდან თითოეულს, როგორც ჩანს, აქვს ჩართული და გამორთული გენების საკუთარი ნაკრები, ანუ მიკრობების საკუთარი „ქცევა“.

ავტორები ვარაუდობენ, რომ სინამდვილეში ამ გადამრთველს შეიძლება ჰქონდეს არა სამი, არამედ ოთხი სტაბილური მდგომარეობა - ბოლოს და ბოლოს, არსებობს მესამე სასიგნალო ნივთიერებაც, რომელიც არ იქნა გათვალისწინებული ექსპერიმენტებში.

ავტორების აზრით, ქიმიური კომუნიკაციის ასეთი რთული სისტემა ბაქტერიებს საშუალებას აძლევს დაარეგულირონ თავიანთი ქცევა მიკრობული საზოგადოების განვითარების ფაზაზე (ბიოფილმები; იხილეთ ქვემოთ). ბიოფილმი). თეორიულად, სასიგნალო ნივთიერებების კონცენტრაცია - ისევე როგორც ბაქტერიების ქცევა - ბუნებრივად შეიძლება შეიცვალოს კოლონიების განვითარების დროს. ვიბრიო ჰარვეიდა ავტორები ამჟამად ეძებენ მტკიცებულებებს ამ ვარაუდისთვის.

ქაშაყისა და მანათობელი ბაქტერიების „კვორუმის შეგრძნება“ იწვევს ქცევის სინქრონიზაციას, რაც იწვევს ყველა ინდივიდის ერთნაირად ქცევას. თუმცა, ასევე ცნობილია მოსახლეობის „ბიმოდალური“ რეაგირების შემთხვევები კოლექტიურ სიგნალებზე. ეს ნიშნავს, რომ ერთი და იგივე სიგნალი იწვევს ორ ალტერნატიულ რეაქციას სხვადასხვა ინდივიდში და ამა თუ იმ ვარიანტის არჩევანი შეიძლება განისაზღვროს არა ინდივიდის გენოტიპით, არამედ უბრალო შემთხვევითობით. ამრიგად, მიიღწევა ფენოტიპების (ქცევის) მრავალფეროვნება, გენოტიპების მრავალფეროვნებისაგან დამოუკიდებლად. ჩვეულებრივ, ბიმოდალურ რეაქციაში, ორგანიზმის ორი ალტერნატიული მდგომარეობის სტაბილურობა უზრუნველყოფილია დადებითი გამოხმაურებებით. ასეთი ქცევის მაგალითი განხილულია ჩანაწერში ალტრუისტული ბაქტერიები ეხმარებიან კანიბალ ნათესავებს საკუთარი თავის ჭამაში(„ელემენტები“, 27.02.2006წ.).

არის თუ არა ადამიანებში „ქვორუმის გრძნობა“? როგორც ჩანს, ამ კითხვაზე პასუხი უნდა ვეძებოთ ეგრეთ წოდებული „ბრბოს ფსიქოლოგიის“ შესახებ სამეცნიერო ლიტერატურაში (იხ. მაგალითად: A.P. Nazaretyan. ბრბო და მისი ქცევის ნიმუშები).

მიკროორგანიზმებში უჯრედშორისი კომუნიკაციის სისტემას სისტემა ეწოდება კვორუმის განცდა (QS ). დღეს QS სისტემა განისაზღვრება, როგორც პოპულაციაში გენის კოორდინირებული გამოხატვის სისტემა, მისი სიმკვრივის ინდექსის მიხედვით, მცირე სასიგნალო მოლეკულების გამოყენებით. როგორც ზემოთ აღინიშნა, ეს მექანიზმი პირველად 1970 წელს აღწერა ნილსონმა საზღვაო ბაქტერიაში. ვიბრიო ფიშერიროგორც ბიოლუმინესცენციის რეგულირების სისტემა. თავდაპირველად ითვლებოდა, რომ ეს მარეგულირებელი მექანიზმი დამახასიათებელია გვარის მჭიდროდ დაკავშირებული სახეობების მხოლოდ მცირე რაოდენობით. ვიბრიოთუმცა, შემდგომმა კვლევებმა აჩვენა ამ მარეგულირებელი მექანიზმის ფართო გავრცელება მიკროორგანიზმების სამყაროში. გაირკვა, რომ QS სისტემის დახმარებით მიკროორგანიზმებს შეუძლიათ მრავალი სასიცოცხლო პროცესის რეგულირება, კერძოდ პათოგენურობა, მეორადი მეტაბოლიზმი, ბიოფილმის ფორმირება და მრავალი სხვა. ნაჩვენებია, რომ QS სისტემა გვხვდება არა მხოლოდ ბაქტერიებში, არამედ ზოგიერთ ქვედა ევკარიოტში, როგორიცაა საფუარის მსგავსი გვარის სოკოები. კანდიდადა კრიპტოკოკი. უფრო მეტიც, აღმოჩნდა, რომ ამ სისტემის დახმარებით, მიკროორგანიზმებს შეუძლიათ ურთიერთქმედება არა მხოლოდ საკუთარ სახეებთან, არამედ განახორციელონ რეგიონთაშორისი კომუნიკაცია, მათ შორის უმაღლეს ევკარიოტებთან.

ზოგადად, QS სისტემის ფუნქციონირება ეფუძნება უამრავ ძირითად პრინციპს (ნახ. 11):

1. მცირე სასიგნალო მოლეკულების გამოყენება - QS სისტემაში სიგნალის გადაცემა ერთი უჯრედიდან მეორეზე ხორციელდება სხვადასხვა ქიმიური ბუნების სასიგნალო მოლეკულების გამოყენებით.

2. სპეციფიკური რეცეპტორების არსებობა - სასიგნალო მოლეკულები პირდაპირ გავლენას არ ახდენს სამიზნე გენების ექსპრესიაზე. სამიზნე გენების გააქტიურება ხდება მხოლოდ სასიგნალო მოლეკულების შესაბამის რეცეპტორებთან შეკავშირების შემდეგ.

3. უჯრედის პოპულაციის სიმკვრივის გავლენა - QS სისტემა ამოქმედდება მხოლოდ უჯრედის პოპულაციის სიმკვრივის გარკვეული მნიშვნელობის მიღწევის შემდეგ, რაც კორელირებს გარემოში სასიგნალო მოლეკულების კონცენტრაციასთან.

4. ფუნქციონირების თვითშენარჩუნება - ახალი სასიგნალო მოლეკულების და რეცეპტორების სინთეზის კონტროლი ხორციელდება ისევე, როგორც სამიზნე გენებისთვის რეპრესიული სისტემების გააქტიურების არარსებობის შემთხვევაში.

5. შერჩევითი ნეგატიური რეგულირების მექანიზმების არსებობა - მიკროორგანიზმების უჯრედებში არსებობს QS უარყოფითი რეგულირების გენები როგორც დამოკიდებული, ასევე დამოუკიდებელი, რომელთა პროდუქტებს შეუძლიათ შერჩევით გამორთონ QS სისტემის მთელი რგოლი ან მთელი სისტემა, როგორც მთელი.

ბრინჯი. თერთმეტი. ზოგადი სქემაკვორუმის სენსორული სისტემის ფუნქციონირება.

ეს პრინციპები საერთოა QS სისტემის თითქმის ყველა ტიპისთვის, მიუხედავად მათი სპეციფიკისა სტრუქტურული ორგანიზაცია. QS სისტემის დაწყება ჩვეულებრივ ემთხვევა დროს ადრეული სტადიაექსპონენციალური ზრდა, რომელიც ხასიათდება უჯრედის პოპულაციის სიმკვრივის სწრაფი ზრდით. სამიზნე გენების გამოხატვა, პირიქით, ჩვეულებრივ იწყება უჯრედის პოპულაციის სტაციონარულ ფაზაში გასვლით და, როგორც წესი, რთულია, ანუ გულისხმობს QS რეგულირებადი თითქმის ყველა პროდუქტის ბიოსინთეზის დაწყებას მოკლე პერიოდში. დრო. ამრიგად, QS სისტემის მუშაობის ადრეული ეტაპები მოიცავს სიგნალის მოლეკულების და მათი რეცეპტორების ბიოსინთეზის უზრუნველყოფას გარკვეულ მომენტამდე, რაც ემთხვევა უჯრედშორის სივრცეში სიგნალის მოლეკულების მაქსიმალური კონცენტრაციის დაგროვებას, რის შემდეგაც QS სისტემა მიდის. თვითშენარჩუნებულ მდგომარეობაში.

QS სისტემის ადრეული გააქტიურების საფუძვლად არსებული მექანიზმები ჯერ ბოლომდე არ არის ახსნილი. იმისდა მიუხედავად, რომ აღმოჩენილია დიდი რაოდენობით სხვადასხვა მარეგულირებელი, რომლებსაც მიეკუთვნება გარკვეული როლი სისტემის ადრეულ გააქტიურებაში, ბევრი კითხვა რჩება გადაუჭრელი. პირველ რიგში, გაუგებარია, როგორ რეგულირდება სასიგნალო მოლეკულების და მათი რეცეპტორების პირველადი დაგროვება. არსებობს ჰიპოთეზა, რომ გარკვეული რაოდენობის სასიგნალო მოლეკულები და მათი რეცეპტორები მუდმივად იმყოფება უჯრედებში და მათი პირველადი დაგროვება ხდება იმავე თვითშენარჩუნების მექანიზმის მიხედვით, ხოლო ამ ნაერთების უჯრედშიდა აუზის ნაწილი იხარჯება სიგნალიზაციის სინთეზზე. მოლეკულები და რეცეპტორები. დანარჩენი გამოიყოფა უჯრედებიდან და ზღვრული კონცენტრაციის მიღწევის შემდეგ, რეაბსორბირდება და იწვევს სამიზნე გენების ექსპრესიას. თუმცა, ზოგიერთი ტიპის QS სისტემების ფუნქციონირების მახასიათებლებზე დაყრდნობით, ეს ნაკლებად სავარაუდოა. ჯეიმს პ. პირსონი, პირიქით, თვლის, რომ QS-ის საწყისი გაშვება ხორციელდება არასპეციფიკური ტრანსკრიფციის რეგულატორების დახმარებით, როგორიცაა MvaT და ვფრ (ვირულენტობა ვმსახიობები რრეგულატორი) Pseudomonas aeruginosa, და სისტემა გაცილებით გვიან გადადის თვითშენარჩუნებულ მდგომარეობაში.