ควบคุมพฤติกรรมโดยรวม (“การตรวจจับองค์ประชุม”) ในแบคทีเรีย แบคทีเรียเงียบ! อย่างไรและทำไมจึงรบกวนการสื่อสารระหว่างเซลล์ การรับรู้องค์ประชุมหรือพฤติกรรมทางสังคมของแบคทีเรีย

การก่อตัว การเจริญเติบโต และการย้ายถิ่นของรูปแบบเซลล์แพลงก์ตอนสำหรับการล่าอาณานิคมในแผ่นชีวะได้รับการควบคุมในระดับประชากรผ่านกลไกของการสื่อสารระหว่างเซลล์ การตรวจจับองค์ประชุม (QS) เป็นกระบวนการประสานงานร่วมกันของการแสดงออกของยีนในประชากรแบคทีเรีย โดยทำหน้าที่เป็นสื่อกลางพฤติกรรมของเซลล์จำเพาะ กลไกการทำงานของ QS ขึ้นอยู่กับการควบคุมลำดับชั้นที่ซับซ้อนของตำแหน่งเป้าหมายของจีโนมของเซลล์แบคทีเรีย ในกรณีนี้ กฎระเบียบจะดำเนินการในระดับอิทธิพลต่างๆ: การถอดเสียง, การแปล, หลังการแปล

ต่อสัญญาณโทรศัพท์มือถือเฉพาะ เซลล์ในประชากรตอบสนองต่อการตอบสนองเฉพาะ จนถึงปัจจุบัน มีการพิสูจน์แล้วว่าปฏิสัมพันธ์ระหว่างเซลล์และเซลล์มีอิทธิพลต่อการสร้างความแตกต่างของเซลล์ภายในประชากร การแสดงออกของยีนที่มีความรุนแรง ควบคุมกระบวนการเจริญเติบโต ธรรมชาติและทิศทางของการเคลื่อนที่ (แท็กซี่) รวมถึงการตายของเซลล์จากแบคทีเรียและการสร้างสารพิษ

การทำงานของ QS สามารถเปรียบเทียบได้กับการควบคุมฮอร์โมนของกิจกรรมการทำงานของอวัยวะและเนื้อเยื่อต่าง ๆ ในสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์

จุลินทรีย์แกรมบวกและแกรมลบใช้ระบบการส่งสัญญาณที่แตกต่างกันและตัวแปลงสัญญาณทางเคมีที่แตกต่างกัน อดีตสังเคราะห์เปปไทด์ 7-8 สมาชิก (Enterococcus spp.), ไซโคลเปปไทด์ (Staphylococcus spp.); ประการที่สอง: แลคโตนของ acyl-homoserine (AHL) ต่างๆ

มาดูกันว่า QS ทำงานอย่างไรโดยใช้ Pseudomonas aeruginosa เป็นตัวอย่าง จุลินทรีย์นี้มีระบบควบคุมอย่างน้อยสามระบบ สิ่งที่ได้รับการศึกษามากที่สุดคือระบบ LasI - LasR (AHL ที่มีสายโซ่อะซิลยาวทำหน้าที่เป็นสัญญาณทางเคมี) RhlI - ระบบ RhlR (ผู้ส่งสาร - AHL พร้อมสายโซ่อะซิลสั้น, C4-HSL) และระบบควิโนโลน PQS การทำงานร่วมกันของทั้งสามระบบทำให้สามารถควบคุมการแสดงออกของจีโนมได้ประมาณ 6-10% ในระบบ LasI - LasR นั้น AHL synthase ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ของยีน lasI มีหน้าที่ในการสังเคราะห์ทางชีวภาพของโมเลกุลสัญญาณ การแสดงออกของมันอยู่ในระดับพื้นฐาน ดังนั้นการสะสมของโมเลกุลการส่งสัญญาณจึงเกิดขึ้นในช่วงเวลานาน และผลกระทบทางชีวภาพเริ่มปรากฏให้เห็นเฉพาะในระยะคงที่ของการเติบโตของประชากรเท่านั้น ในเซลล์ AHL โต้ตอบกับโปรตีน LasR (ผลิตภัณฑ์ของยีน lasR ซึ่งมีการแสดงออกที่ระดับฐานด้วย) ก่อตัวเป็นโฮโมไดเมอร์ - ตัวควบคุมการถอดรหัส สารควบคุมนี้กระตุ้นยีนจำนวนมากที่เกี่ยวข้องกับการก่อตัวของความรุนแรงและการก่อตัวของแผ่นชีวะ นอกจากนี้ยังกระตุ้นการทำงานของโครโมโซม las Box regulon ซึ่งมีหน้าที่ในการแสดงออก ปัจจัยต่างๆการเกิดโรค (โปรตีเอส, อีลาสเทส ฯลฯ ) คอมเพล็กซ์ LasR + AHL เปิดใช้งานระบบส่งสัญญาณที่สอง สิ่งนี้เกิดขึ้นหลังจากการมีปฏิสัมพันธ์กับโปรโมเตอร์ของยีน Rhl การแสดงออกของ RhlI ทำให้เกิดการสร้างโปรตีนสำหรับการสังเคราะห์ AHL ที่มีอะซิลเรซิดิวสั้น (C4-HSL) ยีน rhlR เข้ารหัสโปรตีน (RhlR) ที่ทำปฏิกิริยากับโมเลกุลส่งสัญญาณ C4-HSL ผลลัพธ์ที่ได้คือโปรตีนควบคู่ RhlR + C4-HSL ควบคุมการถอดรหัสของยีนที่เข้ารหัสสารประกอบโครงสร้างต่างๆ ของเมทริกซ์ไบโอฟิล์ม (อัลจิเนต, แรมโนลิพิด ฯลฯ) รวมถึงไลเปส, ไพโอไซยานิน ตัวควบคุมการถอดเสียงนี้ยังกระตุ้นการแสดงออกของตัวควบคุมอื่น - RpoS (ปัจจัยซิกมาการเจริญเติบโตของเฟสคงที่ของ P. aeruginosa) ซึ่งเริ่มต้นการก่อตัวของโปรตีนความเครียดของเซลล์และเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาการปรับตัว ในบรรดาเชื้อ P.aeruginosa ที่แยกได้ทางคลินิก พบว่านอกเหนือจากการทำงานของระบบส่งสัญญาณ AHL แล้ว ระบบควิโนโลน (gene locus - pqsABCDE) ยังเข้ามาแบบขนานอีกด้วย ระบบนี้ทำงานในลักษณะเดียวกับกลไกการควบคุมที่อธิบายไว้ข้างต้นและเป็นสื่อกลางในการแสดงออกของปัจจัยความรุนแรงที่เพิ่มขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งการสังเคราะห์อีลาสเทสและเลคติน ปฏิสัมพันธ์ของระบบส่งสัญญาณทั้งสามส่งผลกระทบ จำนวนมากยีน เนื่องจากกฎระเบียบการถอดรหัสทั่วโลกเกิดขึ้น ซึ่งนำไปสู่ความยืดหยุ่นอย่างมากของกระบวนการทางสรีรวิทยาของเซลล์ และเป็นผลมาจากศักยภาพในการปรับตัวอันมหาศาลของแบคทีเรียในประชากร

ระบบการส่งสัญญาณทำงานบนหลักการของการเหนี่ยวนำอัตโนมัติ โมเลกุลการส่งสัญญาณที่สังเคราะห์ขึ้นจะทำหน้าที่ในเซลล์ของตัวเอง และในขณะที่พวกมันสะสมอยู่ในสภาพแวดล้อมนอกเซลล์ โปรโมเตอร์ที่ขึ้นต่อกัน และตัวควบคุมของจีโนมของเซลล์จะถูกกระตุ้นมากขึ้น QS ที่ใช้ AHL พบได้ในแบคทีเรียแกรมลบหลายชนิด: Acinetobacter, Aeromonas, Brucella, Burkholderia, Erwinia, Enterobacter, Chromobacterium, Hafnia, Serratia, Vibrio, Yersinia เป็นต้น การสื่อสารของ AHL เกิดขึ้นภายในสายพันธุ์ ความจำเพาะและความแข็งแกร่งของ การตอบสนองทางชีวภาพขึ้นอยู่กับสารเคมีในโครงสร้างของโมเลกุลสัญญาณนั่นเอง

แต่ในบรรดาแบคทีเรียแกรมลบที่แยกได้ทางคลินิก มักมีการสังเกตการสื่อสารข้ามพูดคุย เพื่อให้มั่นใจว่ามีปฏิสัมพันธ์ของประชากรในสายพันธุ์ต่าง ๆ ในจุดโฟกัสของการติดเชื้อ Cross-QS สามารถกระตุ้นและยับยั้งการทำงานของยีนเป้าหมายที่ต้องพึ่งพาในการเชื่อมโยงของแบคทีเรีย ตัวอย่างเช่น P. aeruginosa, Serratia liquefaciens, Aeromonas hydrophila สังเคราะห์โมเลกุลสัญญาณประเภทหนึ่ง QS ของ C.violaceum และ A.hydrophila ถูกยับยั้งโดยโมเลกุล AHL ที่มีเรซิดิวอะซิลยาว ซึ่งถูกสังเคราะห์โดยจุลินทรีย์แกรมลบต่างๆ Pseudomonas aeruginosa สร้างโมเลกุลส่งสัญญาณที่มีสารตกค้าง acyl ยาวและสั้น และพวกมันไม่ถูกยับยั้งร่วมกัน อย่างไรก็ตาม สารส่งสาร E.coli ที่มีโครงสร้างโมเลกุลเดียวกันกับสารตกค้าง acyl ยาวสามารถยับยั้งระบบการส่งสัญญาณ rhl ของ P.aeruginosa ได้ ในแผ่นชีวะผสมของ P.aeruginosa และ Burkholderia cepacia นั้น Burkholderia ตอบสนองต่อสัญญาณจาก Pseudomonas aeruginosa (ซึ่งในทางกลับกันไม่ไวต่อสัญญาณจาก B.cepacia) ดังนั้น ประชากร P.aeruginosa จึงควบคุมกระบวนการทางสรีรวิทยาหลายอย่างของผู้เกี่ยวข้อง มีหลักฐานว่าเชื้อ P.aeruginosa บางสายพันธุ์ที่แยกได้จากคนไข้ที่เป็นโรค iscidosis ไม่สามารถสังเคราะห์ตัวเหนี่ยวนำอัตโนมัติของระบบส่งสัญญาณ rhl ได้ด้วยตัวเอง ซึ่งส่งผลให้ความรุนแรงลดลงและการก่อตัวของแผ่นชีวะที่ไม่สมบูรณ์ในการทดลองในหลอดทดลอง อย่างไรก็ตาม ในร่างกาย Pseudomonas aeruginosa สายพันธุ์เดียวกันนี้ก่อให้เกิดแผ่นชีวะที่เต็มเปี่ยม พบว่าจุลินทรีย์ที่แยกได้จากเมือกจากผู้ป่วยกลุ่มเดียวกันจะสังเคราะห์สาร rhl-autoinducers ซึ่งควบคุมความรุนแรงและการก่อตัวของแผ่นชีวะของ P.aeruginosa และเริ่มกระบวนการติดเชื้อ โมเลกุลของ AHL มีผลกระทบที่แตกต่างกันต่อแบคทีเรียกลุ่มอื่นๆ ตัวอย่างเช่น มีการพิสูจน์แล้วว่าตัวเหนี่ยวนำอัตโนมัติของ Pseudomonas aeruginosa ขัดขวางการทำงานของ QS ใน S.aureus โมเลกุลส่งสัญญาณของโปรคาริโอตยังสามารถส่งผลต่อพฤติกรรมของเชื้อรา พืช และแม้แต่เซลล์สัตว์ ดังนั้น AHL P.aeruginosa จึงยับยั้งกระบวนการสร้างเส้นใยของ Candida albicans

ในร่างกายมนุษย์ โมเลกุลของ AHL ยับยั้งการแพร่กระจายของเม็ดเลือดขาวและการก่อตัวของปัจจัยเนื้อร้ายของเนื้องอก b ที่ความเข้มข้นสูง AHL จะเริ่มการตายของเซลล์ ประเภทต่างๆเซลล์ภูมิคุ้มกันบกพร่อง โดยทั่วไป สารกระตุ้นอัตโนมัติของแบคทีเรียมีฤทธิ์กดภูมิคุ้มกัน เนื่องจากปฏิกิริยา QS ที่ทำให้เกิดความสัมพันธ์ "ทางสังคม" ภายในประชากร จึงเกิด "เครือข่ายการสื่อสารทางเคมี" ของฟิล์มชีวะขึ้น ซึ่งสามารถครอบคลุมชุมชนที่มีน้ำหลากหลาย

สิ่งที่น่าสนใจไม่น้อยคือการทำงานของระบบการส่งสัญญาณระหว่างจุลินทรีย์แกรมบวก ตัวอย่างเช่น Enterococcus spp. QS ควบคุมกระบวนการถ่ายโอนพลาสมิด (จากเซลล์ผู้บริจาคไปยังเซลล์ผู้รับ) ผ่านกลไกการผันคำกริยา เซลล์ผู้รับสังเคราะห์สัญญาณเปปไทด์เฉพาะ (“เพศ” ฟีโรโมนจากแบคทีเรีย) ซึ่งสะสมในตัวกลางและจับกับตัวรับของเซลล์ผู้บริจาคโดยเฉพาะซึ่งมีพลาสมิดที่สอดคล้องกับฟีโรโมนนี้ ระบบการควบคุมที่เปิดตัวในกรณีนี้ทำให้มั่นใจได้ถึงการแสดงออกของปัจจัยที่เป็นสื่อกลางในการโต้ตอบของเซลล์และการถ่ายโอนพลาสมิด (ส่วนประกอบของการผันคำกริยา) ตามที่ระบุไว้ข้างต้น ฟีโรโมนจำเพาะสอดคล้องกับพลาสมิดจำเพาะ เนื่องจากกลไกปฏิสัมพันธ์ที่เข้มงวดนี้ จึงมีการเลือกเซลล์แบคทีเรียภายในแผ่นชีวะ ผ่านการสื่อสารดังกล่าว พลาสมิดที่มียีนต้านทานยาปฏิชีวนะ ยีนเฮโมลิซิน และแบคทีเรียจะถูกตั้งอยู่ โดยทั่วไปแล้ว เปปไทด์สัญญาณที่มีฤทธิ์ทางชีวภาพจะถูกเข้ารหัสในโครโมโซม และโปรตีนตัวรับที่ให้สัมพรรคภาพกับฟีโรโมนจะถูกเข้ารหัสในพลาสมิดด้วยตัวมันเอง หลังจากย้ายพลาสมิดไปยังเซลล์ผู้รับแล้ว ฟีโรโมนแต่ละชนิดจะมีสารยับยั้งเริ่มการสังเคราะห์ คุณสมบัตินี้ช่วยให้คุณสามารถปิดสัญญาณของพลาสมิดที่มีอยู่ และเพิ่มการสะสมของโมเลกุลฟีโรโมนสำหรับพลาสมิดประเภทอื่น เซลล์จุลินทรีย์ไบโอฟิล์ม

เนื่องจากการทำงานของระบบดังกล่าว การเลือกสายพันธุ์เชิงบวกที่มีคุณสมบัติได้เปรียบและการเลือกเชิงลบ—การกำจัดสายพันธุ์ที่มีฟีโนไทป์ที่ “ไม่จำเป็น” เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องในประชากรฟิล์มชีวะ ที่ แผลติดเชื้อกลไกการสื่อสารดังกล่าวสำหรับการถ่ายโอนองค์ประกอบทางพันธุกรรมที่เคลื่อนที่ได้ทำให้สามารถแพร่กระจายยีนของการดื้อยาปฏิชีวนะ ความรุนแรง และความสามารถทางสรีรวิทยาเพิ่มเติมด้วยความเร็วสูงสุด

สิ่งที่น่าสนใจที่สุดคือ QS ซึ่งเกี่ยวข้องกับการควบคุมการแสดงออกของปัจจัยความรุนแรงในเชื้อ Staphylococci พื้นฐานทางพันธุกรรมสำหรับการทำงานของระบบนี้คือ agrABCD ซึ่งเป็นตำแหน่งของโครโมโซม เครื่องส่งสัญญาณคือไซโคลเปปไทด์ - ตัวเหนี่ยวนำอัตโนมัติ (AIP, เปปไทด์ที่เหนี่ยวนำอัตโนมัติ) ซึ่งจำแนกตามโครงสร้างและผลกระทบทางชีวภาพออกเป็นกลุ่มและกลุ่มย่อย ตัวอย่างเช่น กลุ่มย่อย 1 และ 4 ใน S.aureus เพิ่มการแสดงออกของปัจจัยความรุนแรง โมเลกุลเหล่านี้มีความเฉพาะเจาะจงอย่างยิ่ง การแทนที่กรดอะมิโนแม้แต่ตัวเดียวในโครงสร้างของสารประกอบทำให้สูญเสียการทำงานทางชีวภาพ เช่นเดียวกับตัวอย่างของระบบยับยั้งสัญญาณใน enterococci ระบบสตาฟิโลคอคคัสจะตอบสนองต่อตัวเหนี่ยวนำอัตโนมัติประเภทเดียวเท่านั้น ทันทีที่เซลล์ได้รับสัญญาณเฉพาะ ยีนของสารยับยั้งจะถูกกระตุ้น และเซลล์จะไม่สามารถรับรู้สัญญาณอื่นได้อีกต่อไป กลไกนี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่ามีการคัดเลือกประชากรอย่างเข้มงวด โมเลกุลการส่งสัญญาณที่สังเคราะห์ขึ้นจะมีปฏิกิริยากับระบบเมมเบรนฮิสทิดีนไคเนส (agrC) ซึ่งกระตุ้นการทำงานของตัวควบคุมการถอดรหัส (agrA) ผ่านปฏิกิริยาแบบเรียงซ้อน โปรตีนนี้ดำเนินการควบคุมแบบสองฟังก์ชันของโปรโมเตอร์ P2 และ P3 สองตัว ดังนั้นการถอดเสียงของยีนที่ต้องพึ่งพาเหล่านี้คือ RNA II และ RNA III โดยอันแรกประกอบด้วยยีน agr หลัก ดังนั้นการตอบสนองแบบเหนี่ยวนำอัตโนมัติของระบบจึงแสดงออกมา ในทางกลับกัน RNA III ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการควบคุมการสังเคราะห์ปัจจัยความรุนแรง (DNase, ไฟบริโนไลซิน, เอนเทอโรทอกซิน, b-, b-, d-ทอกซิน ฯลฯ ) คุณสมบัติที่น่าสนใจในขั้นตอนของการควบคุมนี้คือ สำเนา RNA III ที่มีขนาดคู่เบส 500 คู่ไม่มีข้อมูลที่เข้ารหัส ยกเว้นกรอบการอ่านแบบเปิดหนึ่งเฟรมสำหรับดี-ทอกซิน โมเลกุลการถอดเสียงส่วนใหญ่ที่ล้นหลามนั้นทำหน้าที่เป็นตัวยับยั้งไรโบโซม RNA III ขัดขวางกระบวนการแปลปัจจัยการปราบปรามความรุนแรง Rot (ตัวยับยั้งสารพิษ) ซึ่งควบคุมการสังเคราะห์สารพิษจากเชื้อ Staphylococcal ส่งผลให้เกิดการก่อตัวของสารพิษภายนอกที่ไม่สามารถควบคุมได้ ดังนั้น ระบบ agr จึงจัดให้มีการควบคุมประชากรในการแสดงออกของปัจจัยความรุนแรงของเชื้อ Staphylococcal จากการศึกษา PCR ประเภทต่างๆ พบว่าการแสดงออกของ agr locus ในเซลล์นั้นพบได้ในรอยโรคที่เกิดจากเชื้อ Staphylococcal หลายชนิด: การติดเชื้อที่ผิวหนัง เยื่อบุหัวใจอักเสบ โรคข้ออักเสบ ภาวะติดเชื้อในกระแสเลือด ในประชากรของแผ่นชีวะ โมเลกุลของการส่งสัญญาณจะสะสมและสังเคราะห์โดยเซลล์ส่วนใหญ่ ซึ่งเป็น "แกนหลักหรือโควรัม" ของเมตาบอลิซึมและทางพันธุกรรมของประชากร พวกมันกำหนดพฤติกรรมการเผาผลาญและการเปลี่ยนแปลงทางฟีโนไทป์สำหรับเซลล์ทั้งหมด ซึ่งทำได้สำเร็จเนื่องจากการสะสมของสัญญาณผ่านคุณสมบัติของการเหนี่ยวนำอัตโนมัติ และการยับยั้งสัญญาณอื่นๆ ที่สังเคราะห์โดยชนกลุ่มน้อยหรือสายพันธุ์อื่นๆ ในแผ่นชีวะเนื่องจากกลไกการยับยั้งแบบขนาน 1.5 ความสำคัญทางคลินิกของแผ่นชีวะ

ความเข้าใจเกี่ยวกับแผ่นชีวะซึ่งได้รับการยืนยันจากเทคนิคการถ่ายภาพสมัยใหม่ ได้เปลี่ยนมุมมองไป โรคติดเชื้อ- ข้อมูลใหม่ทั้งหมดบ่งชี้ว่าการติดเชื้อเรื้อรังโดยพื้นฐานแล้วแตกต่างจากการติดเชื้อเฉียบพลันในรูปแบบแผ่นชีวะ และเซลล์ฟาโกไซต์ของสิ่งมีชีวิตขนาดใหญ่ไม่สามารถดูดซับแผ่นชีวะได้ ไม่เหมือนรายบุคคล เซลล์แบคทีเรีย.

การมีอยู่ของแผ่นชีวะในการติดเชื้อเรื้อรังต้องใช้แนวทางใหม่ในการวินิจฉัยและการรักษา นอกจากนี้ วิธีการทางแบคทีเรียแบบดั้งเดิมไม่สามารถตรวจพบแบคทีเรียส่วนใหญ่ที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการติดเชื้อได้ วิธีการทางโมเลกุล จีโนม การถอดรหัส และโปรตีโอมิกล่าสุดทำให้สามารถระบุได้ว่าเมื่อแยกวัฒนธรรมบริสุทธิ์ จะตรวจพบเพียงประมาณ 1% ของเซลล์ของจุลินทรีย์ที่ทำให้เกิดโรคเท่านั้น ด้วยเหตุนี้ การรักษาจึงมุ่งเป้าไปที่แบคทีเรียเพียง 1-2 ชนิดจากหลายสายพันธุ์ที่มีอยู่ในแผ่นชีวะ (รวมถึงเชื้อราด้วย)

จนถึงปัจจุบัน บทบาทของแผ่นชีวะของจุลินทรีย์ในการเกิดขึ้นและการพัฒนาของโรคทั่วไป เช่น การติดเชื้อที่เกี่ยวข้องกับการใส่สายสวนหลอดเลือดที่เกิดจากเชื้อ Staphylococcus aureus และจุลินทรีย์แกรมบวกอื่นๆ ได้รับการพิสูจน์อย่างน่าเชื่อถือ การติดเชื้อของลิ้นหัวใจและขาเทียมที่เกิดจากเชื้อ Staphylococci; โรคปริทันต์อักเสบที่เกิดจากจุลินทรีย์ในช่องปากจำนวนหนึ่ง การติดเชื้อทางเดินปัสสาวะที่กำหนดโดย E. coli และเชื้อโรคอื่น ๆ การติดเชื้อที่หูชั้นกลาง - สาเหตุ เช่น Haemophilus influenzae, cystic fibrosis ที่เกิดจาก P. Aeruginosa เป็นต้น

โรคทั้งหมดนี้รักษาได้ยากและมี ความถี่สูงอาการกำเริบและบางส่วนอาจทำให้เกิด ผู้เสียชีวิต- กลไกที่จุลินทรีย์ที่ก่อตัวเป็นแผ่นชีวะเกิดขึ้น กระบวนการทางพยาธิวิทยาในระดับมหภาค

นอกเหนือจากเนื้อเยื่อของร่างกายโฮสต์แล้ว แผ่นชีวะของจุลินทรีย์ยังสะสมอุปกรณ์ทางการแพทย์ต่างๆ ที่มีลักษณะที่ไม่ใช่ทางชีวภาพเข้าสู่ร่างกายมนุษย์ (สายสวน เครื่องกระตุ้นหัวใจ ลิ้นหัวใจ อุปกรณ์เกี่ยวกับศัลยกรรมกระดูก) การศึกษาด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนของอุปกรณ์ทางการแพทย์ที่ฝังไว้แสดงให้เห็นว่ามีแผ่นชีวะของแบคทีเรียอยู่

การเพิ่มการดื้อยาปฏิชีวนะและการพัฒนาแผ่นชีวะของแบคทีเรียเป็นปัญหาสำคัญในการรักษาโรคติดเชื้อทางเดินปัสสาวะ

เป็นที่ยอมรับกันว่าความต้านทานที่เพิ่มขึ้นนั้นขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของเซลล์และเมทริกซ์นอกเซลล์ เมทริกซ์ไบโอฟิล์มอาจจับหรือไม่สามารถจับและ/หรือยับยั้งยาปฏิชีวนะได้ ความต้านทานเนื่องจากคุณสมบัติของเซลล์ไบโอฟิล์มอธิบายได้จากการลดลงของพื้นผิวอิสระเนื่องจากการสัมผัสกันและการก่อตัวของแบคทีเรียพิเศษที่เรียกว่าสารคงอยู่

Persisters เป็นเซลล์ที่เห็นแก่ผู้อื่นซึ่งก่อตัวขึ้นในช่วงการเจริญเติบโตที่อยู่กับที่ พวกมันจะไม่ทำงานโดยการเผาผลาญและรับประกันการอยู่รอดของประชากรมารดาเมื่อมีปัจจัยที่เป็นอันตรายต่อเซลล์ทั้งหมด ในแผ่นชีวะ ประชากรย่อยนี้คิดเป็น 1-5% ของมวลเซลล์ทั้งหมด การก่อตัวของเซลล์ดังกล่าวขึ้นอยู่กับระดับการเติบโตของประชากร ในระยะบันทึก การเพาะเลี้ยงจะไม่ก่อตัวหรือก่อให้เกิดสัดส่วนที่น้อยมากของจำนวนเซลล์ที่คงอยู่ การก่อตัวของประชากรย่อยนั้นแปรผกผันกับระดับของกิจกรรมการเผาผลาญของเซลล์ฟิล์มชีวะทั้งหมด เช่นเดียวกับการกระทำของปัจจัยภายนอกที่ไม่พึงประสงค์ ฟีโนไทป์ที่คงอยู่นั้นมีลักษณะทางชีววิทยาที่น่าสนใจ พวกมันชะลอกระบวนการทางสรีรวิทยาทั้งหมดและทนทานต่อการกระทำของปัจจัยต่าง ๆ รวมถึงผลกระทบของยาต้านจุลชีพ

คุณสมบัติของความทนทานต่อยาปฏิชีวนะนั้นแตกต่างจากกลไกการดื้อยา การกระทำของกลไกทั้งหมดของการดื้อต่อแบคทีเรียสามารถลดลงเหลือเพียงปรากฏการณ์เดียว - นี่คือการป้องกันปฏิสัมพันธ์ของยาปฏิชีวนะกับเป้าหมาย (เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงในเป้าหมายเองหรือผ่านการสังเคราะห์เอนไซม์ที่ทำให้ยาปฏิชีวนะเป็นกลาง) ความอดทนเป็นสื่อกลางโดยความสามารถของเซลล์จุลินทรีย์ในการอยู่รอดเมื่อมียาปฏิชีวนะโดยการชะลอการเผาผลาญและ "ปิด" กระบวนการทางชีววิทยาหลักของเซลล์

กลไกหลักในการเพิ่มความต้านทานแบคทีเรียต่อยาปฏิชีวนะในแผ่นชีวะคือ:

1. จำกัดการซึมผ่านของยาปฏิชีวนะผ่านแผ่นชีวะ

2. ข้อจำกัดทางโภชนาการและการเปลี่ยนแปลงสภาพแวดล้อมระดับจุลภาคในแผ่นชีวะทำให้อัตราการแบ่งตัวของแบคทีเรียลดลง ส่งผลให้เป้าหมายการออกฤทธิ์ของยาปฏิชีวนะน้อยลง

3. ปฏิกิริยาการปรับตัว

4. ความแปรปรวนของยีนในแบคทีเรียที่คงอยู่ในแผ่นชีวะ

จากข้อมูลที่สะสมมา พบว่ายาปฏิชีวนะแบ่งออกเป็น 2 ประเภทตามผลกระทบต่อแบคทีเรียแผ่นชีวะ ประการแรกประกอบด้วยยาปฏิชีวนะที่เจาะแผ่นชีวะและยับยั้งหรือฆ่าเชื้อจุลินทรีย์ที่ก่อตัวขึ้น ประเภทที่สองคือยาปฏิชีวนะซึ่งในทางปฏิบัติแล้วไม่สามารถทะลุผ่านแผ่นชีวะได้ แต่ป้องกันการแพร่กระจายของพวกมันได้อย่างมีประสิทธิภาพเนื่องจากการอพยพของแบคทีเรีย ดังนั้นยาปฏิชีวนะบางชนิดจึงไม่ทะลุผ่านแผ่นชีวะและไม่ทำลายชุมชนที่มีอยู่ แต่เพียงป้องกันการเพิ่มจำนวนและการแพร่กระจายในร่างกายมนุษย์เท่านั้น ในเรื่องนี้ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาได้มีการศึกษาความสามารถของยาปฏิชีวนะในการแทรกซึมแผ่นชีวะของจุลินทรีย์ต่างๆ

เป็นที่ยอมรับกันว่าแอมพิซิลลินแทรกซึมเข้าไปในแผ่นชีวะของ Klebsiella pneumoniae ได้ไม่ดี และแอมพิซิลลิน, โค-ไตรมอกซาโซล และแวนโคมัยซินสามารถแทรกซึมเข้าไปในชุมชน Enterococcus faecalis ได้ไม่ดี แอมม็อกซิซิลลินที่ใช้กันอย่างแพร่หลายไม่สามารถเจาะเข้าไปในแผ่นชีวะของจุลินทรีย์บางชนิดได้ไม่ดีนัก

ยาปฏิชีวนะที่เจาะไขมันในเซลล์ได้ดี ได้แก่ ฟลูออโรควิโนโลน ยาต้านจุลชีพกลุ่มนี้สามารถออกฤทธิ์กับเชื้อโรคหลักได้ โรคระบบทางเดินปัสสาวะเมื่อมีความเข้มข้นเพียงพอจะแทรกซึมเข้าไปในบริเวณที่เกิดการติดเชื้อ ประสบการณ์ที่มีอยู่ในการใช้ยาปฏิชีวนะบ่งชี้ว่ากระบวนการติดเชื้อโดยเฉพาะอย่างยิ่งกับมัน อาการทางคลินิก,สามารถจัดการได้ด้วยยาปฏิชีวนะทั้งแบบเจาะทะลุไบโอฟิล์มและแบบไม่เจาะฟิล์มชีวะ อย่างไรก็ตาม มีความแตกต่างระหว่างสิ่งเหล่านี้ และมันค่อนข้างสำคัญ พบว่าความแตกต่างของยาปฏิชีวนะที่ทะลุผ่านและไม่ทะลุแผ่นชีวะสามารถแสดงให้เห็นในผลลัพธ์การรักษาในระยะยาว การใช้ยาปฏิชีวนะที่ซึมผ่านแผ่นชีวะได้ไม่ดีอย่างรวดเร็วจะนำไปสู่การสร้างและคัดเลือกสายพันธุ์ต้านทาน นอกจากนี้อาการกำเริบเกิดขึ้นบ่อยขึ้นและเกิดจุดโฟกัสของกระบวนการเรื้อรัง

ผลการรักษาต่อแผ่นชีวะสามารถมุ่งเป้าไปที่กลไกของการยึดเกาะเริ่มแรกของแบคทีเรียกับพื้นผิว การปิดกั้นการสังเคราะห์หรือการทำลายเมทริกซ์โพลีเมอร์ การหยุดชะงักของการแลกเปลี่ยนข้อมูลระหว่างเซลล์ และยังสามารถใช้ร่วมกับสารฆ่าเชื้อแบคทีเรียได้ด้วย การรักษาดังกล่าวมุ่งเป้าไปที่โครงสร้างหรือการทำงานของแผ่นชีวะอาจมีประสิทธิผลมากกว่าการรักษาด้วยยาปฏิชีวนะมาตรฐาน

กราฟนี้แสดงให้เห็น "สวิตช์ระดับโมเลกุล" ที่ควบคุมพฤติกรรมของแบคทีเรียเรืองแสง วิบริโอ ฮาร์วีย์ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารส่งสัญญาณ 2 ชนิด (AI-1 และ AI-2) ซึ่งแบคทีเรียใช้สื่อสารกัน ตามแนวแกนนอน- ความเข้มข้นของสารทั้งสอง ตามแนวแกนตั้ง- ค่าส่วนกลับของแรงปฏิกิริยาของแบคทีเรียต่อสัญญาณเคมีที่กำหนด จะเห็นได้ว่า “สวิตช์โมเลกุล” มีสถานะเสถียรสามสถานะ: “สีน้ำเงิน” (ความเข้มข้นของสารทั้งสองสูง ปฏิกิริยาสูงสุด) “สีเขียว” (ความเข้มข้นของสารตัวใดตัวหนึ่งอย่างใดอย่างหนึ่งในทั้งสองอย่าง สูงและอีกอันต่ำ ปฏิกิริยาอยู่ตรงกลาง) และ "สีแดง" (ความเข้มข้นของสารทั้งสองต่ำ ปฏิกิริยาน้อยที่สุด) ข้าว. จากบทความที่กล่าวถึงใน

สิ่งมีชีวิตจำนวนมากทำการตัดสินใจร่วมกันตามระบอบประชาธิปไตยโดยใช้สิ่งที่เรียกว่า "การรับรู้องค์ประชุม" สิ่งนี้มักแสดงให้เห็นในความจริงที่ว่าเมื่อมีผู้คนหนาแน่นมากขึ้น กลุ่มบุคคลก็กลายเป็นกลุ่มที่มีการจัดระเบียบ (ชุมชน ฝูงแกะ ฝูงชน) หลักการพื้นฐานของการเปลี่ยนแปลงนี้มีความคล้ายคลึงกันในสิ่งมีชีวิตต่างๆ ตั้งแต่แบคทีเรียไปจนถึงสัตว์

นี่เป็นหลักฐานจากผลการศึกษาใหม่ 2 ชิ้น ชิ้นหนึ่งดำเนินการเกี่ยวกับแบคทีเรียเรืองแสง และอีกชิ้นเกี่ยวกับปลาเฮอริ่งแอตแลนติก แบคทีเรียเริ่มเรืองแสงด้วยกันเมื่อถึงขีดจำกัดความเข้มข้นของสารที่พวกมันหลั่งออกมา และในปลา สัญญาณของการก่อตั้งโรงเรียนที่มีมูลค่าหลายล้านดอลลาร์ก็คือช่วงเวลาของวันและความหนาแน่นของประชากรตามขีดจำกัด "ความรู้สึกองค์ประชุม" (การตรวจจับองค์ประชุม

) เป็นกลไกที่แพร่หลายในธรรมชาติที่ช่วยให้กลุ่มของสิ่งมีชีวิตสามารถดำเนินการที่ประสานกันและกลมกลืนได้ เช่นเดียวกับที่เซลล์ของสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ทำอยู่ตลอดเวลา อย่างไรก็ตาม ในสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ ความสอดคล้องกันของพฤติกรรมของเซลล์ได้รับการรับรองโดยระบบควบคุมแบบรวมศูนย์พิเศษ (เช่น ระบบประสาท) ในกลุ่มของสิ่งมีชีวิตอิสระแต่ละชนิด มักจะไม่มีระบบควบคุมแบบรวมศูนย์ดังกล่าว ดังนั้นการประสานงานของการกระทำจึงมั่นใจได้ด้วยวิธีอื่น รวมถึงผ่าน "การรับรู้องค์ประชุม" ปรากฏการณ์นี้ได้รับการศึกษาที่ดีที่สุดในสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว ซึ่งพฤติกรรมกลุ่มที่ประสานกันมักมีพื้นฐานมาจาก "การลงคะแนน" ทางเคมีชนิดหนึ่ง ตัวอย่างเช่น แบคทีเรียทั้งหมดในประชากรจะหลั่งสารส่งสัญญาณ และเมื่อความเข้มข้นของสารนี้ในสิ่งแวดล้อมถึงค่าเกณฑ์ที่กำหนด เซลล์ทั้งหมดจะเปลี่ยนพฤติกรรมของพวกเขาอย่างเป็นเอกฉันท์ (ตัวอย่างเช่น พวกมันเริ่มมี "แรงฉุด" ต่อกันและ รวมตัวกันเป็นกลุ่มใหญ่) ในระดับโมเลกุลการเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมของจุลินทรีย์นั้นเกิดขึ้นได้จากการเปลี่ยนแปลงระดับกิจกรรมของยีนบางตัวอย่างรุนแรง (บางครั้งกะทันหัน) เพื่อตอบสนองต่อระดับการกระตุ้นของตัวรับที่ตอบสนองต่อสารสัญญาณ วัตถุชิ้นแรกๆ ในการศึกษาการตรวจจับองค์ประชุมคือแบคทีเรียเรืองแสงวิบริโอ ฟิชเชรี ซึ่งได้อธิบายไว้ในหมายเหตุแล้วความสัมพันธ์ระหว่างปลาหมึกกับแบคทีเรียเรืองแสงนั้นขึ้นอยู่กับยีนตัวเดียว

, “องค์ประกอบ”, 02/06/2009 ปรากฏการณ์นี้ได้รับการศึกษาที่ดีที่สุดในสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว ซึ่งพฤติกรรมกลุ่มที่ประสานกันมักมีพื้นฐานมาจาก "การลงคะแนน" ทางเคมีชนิดหนึ่ง ตัวอย่างเช่น แบคทีเรียทั้งหมดในประชากรจะหลั่งสารส่งสัญญาณ และเมื่อความเข้มข้นของสารนี้ในสิ่งแวดล้อมถึงค่าเกณฑ์ที่กำหนด เซลล์ทั้งหมดจะเปลี่ยนพฤติกรรมของพวกเขาอย่างเป็นเอกฉันท์ (ตัวอย่างเช่น พวกมันเริ่มมี "แรงฉุด" ต่อกันและ รวมตัวกันเป็นกลุ่มใหญ่) ในระดับโมเลกุลการเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมของจุลินทรีย์นั้นเกิดขึ้นได้จากการเปลี่ยนแปลงระดับกิจกรรมของยีนบางตัวอย่างรุนแรง (บางครั้งกะทันหัน) เพื่อตอบสนองต่อระดับการกระตุ้นของตัวรับที่ตอบสนองต่อสารสัญญาณ วัตถุชิ้นแรกๆ ในการศึกษาการตรวจจับองค์ประชุมคือแบคทีเรียเรืองแสงไม่สว่างขึ้นในขณะที่ความหนาแน่นของประชากรจุลินทรีย์ยังต่ำ อย่างไรก็ตาม เมื่อถึงเกณฑ์ความหนาแน่นที่กำหนด (ซึ่งเกิดขึ้น เช่น ในอวัยวะที่ส่องสว่างของปลาหมึก ซึ่งแบคทีเรียได้รับสภาวะที่เหมาะสมที่สุดสำหรับชีวิต) จุลินทรีย์ทั้งหมดจะเริ่มเรืองแสงทันที และปลาหมึกจะได้รับไฟฉายสำหรับล่าสัตว์ ในความมืด

ในสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ "การรับรู้องค์ประชุม" และการเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมที่ประสานกันอย่างรวดเร็วยังแพร่หลายเช่นกัน แม้ว่าจะมีการศึกษาน้อยกว่าในสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวก็ตาม บางครั้งการเปลี่ยนจากชีวิตส่วนตัวไปเป็นพฤติกรรมกลุ่มที่ประสานกันอาจส่งผลร้ายแรงอย่างแท้จริง เช่น กับตั๊กแตน (ดู: เซโรโทนินเปลี่ยนตั๊กแตนทะเลทรายให้กลายเป็นผู้บุกรุกที่หิวโหยภายในสองชั่วโมง, “องค์ประกอบ”, 10/02/2009) เป็นลักษณะเฉพาะที่การเปลี่ยนไปใช้พฤติกรรมอยู่เป็นฝูงในตั๊กแตนนั้นถูกควบคุมโดยความหนาแน่นของประชากร (ความแออัด) เช่นเดียวกับเรืองแสง ปรากฏการณ์นี้ได้รับการศึกษาที่ดีที่สุดในสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว ซึ่งพฤติกรรมกลุ่มที่ประสานกันมักมีพื้นฐานมาจาก "การลงคะแนน" ทางเคมีชนิดหนึ่ง ตัวอย่างเช่น แบคทีเรียทั้งหมดในประชากรจะหลั่งสารส่งสัญญาณ และเมื่อความเข้มข้นของสารนี้ในสิ่งแวดล้อมถึงค่าเกณฑ์ที่กำหนด เซลล์ทั้งหมดจะเปลี่ยนพฤติกรรมของพวกเขาอย่างเป็นเอกฉันท์ (ตัวอย่างเช่น พวกมันเริ่มมี "แรงฉุด" ต่อกันและ รวมตัวกันเป็นกลุ่มใหญ่) ในระดับโมเลกุลการเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมของจุลินทรีย์นั้นเกิดขึ้นได้จากการเปลี่ยนแปลงระดับกิจกรรมของยีนบางตัวอย่างรุนแรง (บางครั้งกะทันหัน) เพื่อตอบสนองต่อระดับการกระตุ้นของตัวรับที่ตอบสนองต่อสารสัญญาณ วัตถุชิ้นแรกๆ ในการศึกษาการตรวจจับองค์ประชุมคือแบคทีเรียเรืองแสง.

สัปดาห์ที่แล้ว มีการตีพิมพ์บทความที่น่าสนใจสองบทความเกี่ยวกับการศึกษาการตรวจจับองค์ประชุมในสิ่งมีชีวิตสองชนิดที่แตกต่างกันมาก นั่นคือ แบคทีเรียเรืองแสง วิบริโอ ฮาร์วีย์(ญาติสนิท V. ฟิสเชรี) และในปลาเฮอริ่งแอตแลนติก งานทั้งสองขึ้นอยู่กับแอปพลิเคชัน วิธีการใหม่และในทั้งสองกรณี เรากำลังพูดถึงการเปลี่ยนแปลงที่รุนแรงในระดับการพิจารณาของวัตถุที่กำลังศึกษา ในกรณีของจุลินทรีย์ ระดับจะเปลี่ยนไปสู่รายละเอียดที่มากขึ้น โดยปกติแล้วพวกเขาจะศึกษาการตอบสนองโดยรวมของจุลินทรีย์จำนวนมาก (เช่น ความเข้มรวมของการเรืองแสง) แต่ในกรณีนี้ ผู้วิจัยได้บันทึกการเปลี่ยนแปลงในพฤติกรรมของแต่ละบุคคล จุลินทรีย์ เมื่อศึกษาวัตถุที่มีขนาดใหญ่มาก เช่น โรงเรียนแฮร์ริ่งหลายล้านโรงเรียน เรามักจะจำกัดตัวเองให้อยู่เพียงกลุ่มตัวอย่างเล็กๆ ซึ่งเป็นเรื่องยากที่จะตัดสินโรงเรียนโดยรวม อย่างไรก็ตาม ในครั้งนี้ นักวิจัยใช้วิธีการสแกนตำแหน่งสะท้อนเสียงสะท้อนที่มีความไวสูงของพื้นที่น้ำขนาดใหญ่ ซึ่งคิดค้นขึ้นเมื่อสามปีที่แล้ว (มากริส และคณะ 2549

) ซึ่งทำให้สามารถสังเกตการก่อตัวของฝูงแกะที่มีความยาวนับสิบกิโลเมตรได้แบบเรียลไทม์ สังเกตพฤติกรรมของปลาเฮอริ่งในบริเวณที่วางไข่อ่าวเมน

ในระหว่างวัน ปลาจะว่ายแยกกันใกล้ก้นทะเลในที่ลึกซึ่งมีผู้ล่าน้อยกว่าในน้ำตื้นมาก ก่อนพระอาทิตย์ตกไม่นาน ปลาเฮอริ่งจะเริ่มสะสมที่ความลึก 160 ถึง 190 ม. ในตอนแรก ความหนาแน่นของปลาจะเพิ่มขึ้นอย่างช้าๆ อย่างไรก็ตาม เมื่อความหนาแน่นถึงเกณฑ์ 0.2 ตัวต่อตารางเมตร พฤติกรรมของปลาก็จะเปลี่ยนไปอย่างรุนแรง ทันใดนั้นปลาก็รีบเข้าหากันและก่อตัวเป็นกระจุกหนาแน่น (มากถึง 2-5 ตัวต่อตารางเมตร) ซึ่งกลายเป็น "ศูนย์กลางการตกผลึก" สำหรับโรงเรียนขนาดยักษ์ จากการรวมตัวหลักนี้ "คลื่น" ของพฤติกรรมที่เปลี่ยนแปลงแพร่กระจายอย่างรวดเร็ว: ปลาเห็นว่าญาติของพวกเขารีบไปรวมตัวกันแล้วและพวกเขาก็เริ่มว่ายเข้าหากัน

เป็นผลให้การรวมตัวของปลาเติบโตด้วยความเร็วซึ่งเป็นลำดับความสำคัญที่มากกว่าความเร็วที่ปลาแต่ละตัวสามารถว่ายน้ำได้ ในที่สุดก็มีการสร้างโรงเรียนหนาแน่นขึ้น โดยมีความยาวสูงสุด 20–30 กม. และกว้างประมาณ 3–4 กม. ทอดยาวจากตะวันตกไปตะวันออกที่ระดับความลึก 160–190 ม. ไปตามทางลาดด้านเหนือของบริเวณน้ำตื้นที่วางไข่

จากนั้นปลาจำนวนมหาศาลนี้ก็เริ่มเคลื่อนตัวไปทางใต้และขึ้นไปสู่จุดวางไข่ ตอนนี้การเคลื่อนไหวเกิดขึ้นตรงตามความเร็วที่ปลาเฮอริ่งมักจะว่าย ขอบนำของฝูงที่เคลื่อนไหวนั้นเรียบและชัดเจน ด้านหลังไม่เรียบและเบลอเนื่องจาก "ผู้ล้าหลัง" ที่ยังคงถูกดึงขึ้นมาจากส่วนลึก ปลาแฮร์ริ่งวางไข่ในเวลากลางคืนที่ระดับความลึกประมาณ 50 ม. และเมื่อรุ่งสางโรงเรียนก็แยกย้ายกันไปจนถึงเย็นวันรุ่งขึ้นพฤติกรรมนี้มีประโยชน์อย่างไร? ประการแรก การวางไข่ในแฮร์ริ่งเป็นเรื่องร่วมกัน ตัวเมียจะต้องวางไข่ด้วยกัน และตัวผู้ต้องทำงานร่วมกันเพื่อให้ปุ๋ยพวกมัน ดังนั้นการประสานพฤติกรรมของปลาเหล่านี้จึงมีความสำคัญมาก

การศึกษาแสดงให้เห็นว่าในปลาเฮอริ่งเช่นเดียวกับสิ่งมีชีวิตอื่น ๆ ที่มี "การรับรู้องค์ประชุม" การเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมอย่างกะทันหันและการเปลี่ยนแปลงของกลุ่มบุคคลที่ไม่เป็นระเบียบให้เป็นทั้งหมดที่ได้รับคำสั่งนั้นเกิดขึ้นเพื่อตอบสนองต่อการเข้าถึงเกณฑ์ความเข้มข้นของบุคคล (ในกรณีนี้ ความหนาแน่นของเกณฑ์คือ 0.2 คนต่อ ตร.ม.) สัญญาณอะไร - ภาพหรือพูด - กลิ่น - ปลาแฮร์ริ่งมุ่งเน้นไปที่เมื่อประเมินความหนาแน่นของประชากรยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัดและเป็นการยากที่จะค้นหา

มันง่ายกว่ามากที่จะเข้าใจกลไกทางสรีรวิทยาของ "การรับรู้องค์ประชุม" ในแบคทีเรียที่ไม่มีทั้งการมองเห็น การได้ยิน หรือ ระบบประสาทและดังนั้นจึงมีวิธีการสื่อสารเพียงวิธีเดียวเท่านั้นคือสารเคมีซึ่งคล้ายกับการสื่อสารด้วยกลิ่นในสัตว์

อย่างไรก็ตาม ระบบอณูพันธุศาสตร์ที่ให้ "การตรวจจับโควรัม" ในแบคทีเรียอาจมีความซับซ้อนมาก ดังที่เห็นได้ชัดเจนในตัวอย่างของจุลินทรีย์เรืองแสง วิบริโอ ฮาร์วีย์.แบคทีเรียเหล่านี้จะถูกแยกออกมาใน สิ่งแวดล้อมสารสัญญาณสามชนิด - "ตัวเหนี่ยวนำอัตโนมัติ" (AI) สารแต่ละชนิดมีตัวรับที่สอดคล้องกันซึ่งตอบสนองต่อการมีอยู่ของสาร "ของมัน" ในสิ่งแวดล้อม ตัวรับทั้งสามจะส่งสัญญาณที่ได้รับไปยังเซลล์เพื่อเปิดใช้งานโปรตีนควบคุม LuxU ในทางกลับกันจะกระตุ้นโปรตีนอีกชนิดหนึ่ง (LuxO) ซึ่งจะกระตุ้นการทำงานของยีนหลายตัวที่เข้ารหัส RNA กฎระเบียบขนาดเล็ก RNA ตามกฎข้อบังคับเหล่านี้จะขัดขวางการทำงานของยีนที่เข้ารหัสโปรตีน LuxR อย่างหลังเป็นผู้มีส่วนร่วมสำคัญในลำดับขั้นของกฎระเบียบ: กิจกรรมของยีนหลายชนิด รวมถึงยีนที่ทำให้แบคทีเรียเรืองแสงนั้นขึ้นอยู่กับยีนนั้น

แน่นอนว่า ระบบที่ซับซ้อนนี้จำเป็นไม่เพียงแต่จะควบคุมการเรืองแสงเท่านั้น พฤติกรรมของแบคทีเรียในด้านอื่นๆ หลายประการขึ้นอยู่กับพฤติกรรมดังกล่าว แต่การเรืองแสงเป็นเพียงวิธีที่ง่ายที่สุดในการวัดและวัดผล รายละเอียดมากมายเกี่ยวกับระบบการกำกับดูแลนี้เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้ว แต่บางสิ่งยังคงเป็นปริศนา ตัวอย่างเช่น ยังไม่ชัดเจนว่าเหตุใดจึงจำเป็นต้องใช้สารส่งสัญญาณที่แตกต่างกันสามชนิดและตัวรับสามตัวสำหรับสารเหล่านั้น หากท้ายที่สุดทุกอย่างลงเอยด้วยผลลัพธ์เดียวกัน: ยีนอย่างใดอย่างหนึ่ง ลักซ์อาร์เปิดขึ้นมา แล้วจุลินทรีย์ก็เรืองแสง หรือดับลง แล้วแบคทีเรียก็ออกไป และเรื่องนี้ไม่ได้เปลี่ยนแปลงโดยพื้นฐานเพราะ LuxR ควบคุมยีนต่างๆ มากมาย และไม่ใช่แค่ "ยีนเรืองแสง" เท่านั้น ในทำนองเดียวกัน การทำงานของระบบควบคุมทั้งหมดขึ้นอยู่กับตัวแปรเดียวเท่านั้น นั่นคือ ระดับของการทำงานของยีน ลักซ์อาร์- ดูเหมือนว่าแบคทีเรียสามารถผ่านไปได้อย่างง่ายดายด้วยสารสัญญาณตัวเดียวและตัวรับหนึ่งตัว นั่นคือตัวแปร "อินพุต" หนึ่งตัว เพื่อควบคุมตัวแปร "เอาต์พุต" ตัวเดียว อย่างไรก็ตาม ด้วยเหตุผลบางประการ แบคทีเรียจึงคิดแตกต่างและสื่อสารระหว่างกันโดยใช้สารส่งสัญญาณที่แตกต่างกันสามชนิด

เพื่อทำความเข้าใจปัญหาที่ยากลำบากนี้ นักวิจัยได้สร้างสายพันธุ์ดัดแปลงพันธุกรรมขึ้นมาหลายสายพันธุ์ วิบริโอ ฮาร์เวยี,ซึ่งระบบการสื่อสารทางเคมีง่ายขึ้นอย่างมาก ประการแรก แบคทีเรียทั้งหมดมียีนที่เข้ารหัสตัวรับหนึ่งในสามตัวถูกลบออก ขณะนี้จุลินทรีย์สามารถตอบสนองต่อสารส่งสัญญาณเพียงสองในสามเท่านั้น (AI-1 และ AI-2)

ประการที่สอง ยีนที่จำเป็นสำหรับการผลิตสารส่งสัญญาณถูกปิด การทำเช่นนี้เพื่อให้นักวิจัยสามารถรักษาความเข้มข้นของสาร AI-1 และ AI-2 ให้อยู่ภายใต้การควบคุมอย่างสมบูรณ์ ประการที่สาม พวกเขาแนบยีนโปรตีนเรืองแสงสีเขียวเข้ากับไซต์ควบคุม (โปรโมเตอร์) ของ RNA กำกับดูแลขนาดเล็กตัวใดตัวหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับน้ำตกตามกฎระเบียบ สิ่งนี้ทำให้พวกเขามีโอกาสที่จะตัดสินโดยความแรงของการเรืองแสงของเซลล์แบคทีเรียแต่ละเซลล์ถึงระดับของการกระตุ้นของน้ำตกตามกฎระเบียบ "การตรวจจับองค์ประชุม" ที่มีความแม่นยำและรายละเอียดมากกว่ามากเกินกว่าที่สามารถทำได้ด้วยความแข็งแกร่งของการเรืองแสงตามธรรมชาติของแบคทีเรีย

ปรากฎว่าทั้งสารส่งสัญญาณ (AI-1 และ AI-2) ทำหน้าที่ในระบบเกือบจะเหมือนกัน และระบบสามารถอยู่ในสถานะเสถียรหนึ่งในสามสถานะ:

1) หากความเข้มข้นของสารทั้งสองต่ำ แบคทีเรียจะผลิตโปรตีนเรืองแสงสีเขียวอย่างแข็งขัน ซึ่งหมายความว่าการสังเคราะห์โปรตีน LuxR ถูกระงับ ดังนั้น ยีนทั้งหมดที่ถูกบล็อกโดยโปรตีน LuxR จะทำงานอย่างแข็งขัน และยีนทั้งหมดที่ถูกกระตุ้นโดยโปรตีนนี้จะถูกปิด (รวมถึงยีนที่รับผิดชอบในการเรืองแสงตามธรรมชาติ) 2) ถ้าความเข้มข้นใดๆ

ของสารทั้งสอง - AI-1 หรือ AI-2 - เพิ่มขึ้นถึงค่าเกณฑ์ (ซึ่งสอดคล้องกับประมาณหนึ่งโมเลกุลของสารต่อปริมาตรที่แบคทีเรียหนึ่งตัวครอบครอง) จากนั้นแสงเรืองแสงสีเขียวจะอ่อนลงอย่างเห็นได้ชัด แต่ไม่หยุดอย่างสมบูรณ์ สถานะ "ขั้นกลาง" นี้ค่อนข้างเสถียร ระดับของการเรืองแสงยังคงแทบไม่เปลี่ยนแปลงในช่วงความเข้มข้นของสารสัญญาณที่หลากหลาย ตราบใดที่ความเข้มข้นของสารตัวใดตัวหนึ่งมากกว่าและตัวที่สองน้อยกว่าระดับเกณฑ์ 3)สุดท้ายถ้าความเข้มข้นสารสัญญาณเกินระดับเกณฑ์ โปรตีนเรืองแสงสีเขียวจะหยุดการสังเคราะห์ในทางปฏิบัติ ซึ่งหมายความว่า Cascade ของกฎระเบียบถูกเปิดใช้งานอย่างสมบูรณ์ เฉพาะในกรณีนี้เท่านั้นที่แสงธรรมชาติจะเปิดขึ้น

กล่าวอีกนัยหนึ่งปรากฎว่าการใช้สารส่งสัญญาณสองชนิดทำให้แบคทีเรียสามารถสร้าง "สวิตช์" โมเลกุลที่สามารถรับสถานะไม่สอง แต่มีสถานะเสถียรสามสถานะ

เห็นได้ชัดว่าแต่ละสถานะในทั้งสามสถานะนี้สอดคล้องกับชุดยีนของตัวเองที่เปิดและปิด ซึ่งก็คือ "พฤติกรรม" ของจุลินทรีย์ในตัวมันเอง

ผู้เขียนแนะนำว่าในความเป็นจริงสวิตช์นี้อาจไม่ได้มีสามสถานะ แต่มีสถานะเสถียรสี่สถานะ - ท้ายที่สุดแล้วยังมีสารสัญญาณที่สามซึ่งไม่ได้นำมาพิจารณาในการทดลอง ตามที่ผู้เขียนระบุ ระบบการสื่อสารทางเคมีที่ซับซ้อนดังกล่าวช่วยให้แบคทีเรียสามารถควบคุมพฤติกรรมของพวกมันได้ ขึ้นอยู่กับระยะการพัฒนาของชุมชนจุลินทรีย์ (แผ่นชีวะ; ดูรูปที่ 1)ไบโอฟิล์ม วิบริโอ ฮาร์วีย์- ตามทฤษฎีแล้ว ความเข้มข้นของสารส่งสัญญาณ เช่นเดียวกับพฤติกรรมของแบคทีเรีย สามารถเปลี่ยนแปลงได้ตามธรรมชาติในระหว่างการพัฒนาอาณานิคม

และผู้เขียนกำลังค้นหาหลักฐานของข้อสันนิษฐานนี้ “การตรวจจับโควรัม” ในแฮร์ริ่งและแบคทีเรียเรืองแสงทำให้เกิดการซิงโครไนซ์พฤติกรรม ทำให้ทุกคนมีพฤติกรรมในลักษณะเดียวกัน อย่างไรก็ตาม ยังมีกรณีของปฏิกิริยาของประชากรแบบ "bimodal" ต่อสัญญาณโดยรวมด้วยซึ่งหมายความว่าสัญญาณเดียวกันทำให้เกิดปฏิกิริยาทางเลือกหนึ่งในสองแบบในบุคคลที่แตกต่างกัน และการเลือกตัวเลือกอย่างใดอย่างหนึ่งไม่สามารถกำหนดได้จากจีโนไทป์ของแต่ละบุคคล แต่โดยโอกาสธรรมดา สิ่งนี้ทำให้เกิดความหลากหลายของฟีโนไทป์ (พฤติกรรม) โดยไม่ขึ้นกับความหลากหลายของจีโนไทป์ โดยทั่วไปแล้ว ในปฏิกิริยาแบบไบโมดัล จะรับประกันความเสถียรของสถานะทางเลือกทั้งสองของร่างกายเนื่องจากการตอบรับเชิงบวก ตัวอย่างของพฤติกรรมนี้มีการกล่าวถึงในหมายเหตุ

แบคทีเรียที่เห็นแก่ผู้อื่นช่วยให้ญาติที่กินเนื้อคนกินตัวเอง (“องค์ประกอบ”, 27/02/2549)).

มี “ความรู้สึกโควรัม” ในหมู่ผู้คนหรือไม่? เห็นได้ชัดว่าควรหาคำตอบสำหรับคำถามนี้ในวรรณกรรมทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับสิ่งที่เรียกว่า "จิตวิทยาฝูงชน" (ดูตัวอย่าง: A.P. Nazaretyan (ฝูงชนและรูปแบบพฤติกรรมของมัน - ปัจจุบัน ระบบ QS ถูกกำหนดให้เป็นระบบของการแสดงออกของยีนที่มีการประสานงานในประชากร ขึ้นอยู่กับความหนาแน่น โดยใช้โมเลกุลส่งสัญญาณขนาดเล็ก ตามที่ระบุไว้ข้างต้น กลไกนี้ได้รับการอธิบายครั้งแรกในปี 1970 โดย Nilsson ในแบคทีเรียในทะเล วิบริโอฟิชเชรีเป็นระบบควบคุมการเรืองแสงของสิ่งมีชีวิต ในขั้นต้นสันนิษฐานว่ากลไกการกำกับดูแลนี้เป็นลักษณะของสกุลที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดเพียงไม่กี่ชนิดเท่านั้น วิบริโออย่างไรก็ตาม การวิจัยเพิ่มเติมแสดงให้เห็นถึงความแพร่หลายของกลไกการควบคุมนี้ในโลกของจุลินทรีย์ พบว่าด้วยความช่วยเหลือของระบบ QS จุลินทรีย์สามารถควบคุมกระบวนการที่สำคัญหลายอย่าง โดยเฉพาะอย่างยิ่งการทำให้เกิดโรค เมแทบอลิซึมทุติยภูมิ การสร้างฟิล์มชีวะ และอื่นๆ อีกมากมาย มีการแสดงให้เห็นว่าระบบ QS เกิดขึ้นไม่เพียงแต่ในแบคทีเรียเท่านั้น แต่ยังเกิดในยูคาริโอตตอนล่างบางชนิดด้วย เช่น เชื้อราที่มีลักษณะคล้ายยีสต์ในสกุล แคนดิดาและ คริปโตค็อกคัส- ยิ่งไปกว่านั้น ปรากฎว่าด้วยความช่วยเหลือของระบบนี้ จุลินทรีย์สามารถโต้ตอบได้ไม่เพียงแต่กับชนิดของมันเองเท่านั้น แต่ยังสามารถทำการสื่อสารระหว่างอาณาจักรได้ รวมถึงยูคาริโอตที่สูงกว่าด้วย

โดยทั่วไปการทำงานของระบบ QS นั้นจะขึ้นอยู่กับจำนวนต่างๆ หลักการสำคัญ(รูปที่ 11):

1. การใช้โมเลกุลการส่งสัญญาณขนาดเล็ก - ในระบบ QS การส่งสัญญาณจากเซลล์หนึ่งไปยังอีกเซลล์หนึ่งจะดำเนินการโดยใช้โมเลกุลการส่งสัญญาณที่มีลักษณะทางเคมีต่างๆ

2. การมีอยู่ของตัวรับจำเพาะ - โมเลกุลการส่งสัญญาณไม่ส่งผลโดยตรงต่อการแสดงออกของยีนเป้าหมาย การเปิดใช้งานยีนเป้าหมายจะเกิดขึ้นหลังจากการจับกันของโมเลกุลส่งสัญญาณกับตัวรับที่เกี่ยวข้องเท่านั้น

3. อิทธิพลของความหนาแน่นของประชากรเซลล์ – ระบบ QS จะเปิดตัวเมื่อถึงค่าความหนาแน่นของประชากรเซลล์เท่านั้น ซึ่งสัมพันธ์กับความเข้มข้นของโมเลกุลส่งสัญญาณในสภาพแวดล้อมภายนอก

4. การบำรุงรักษาการทำงานด้วยตนเอง - การควบคุมการสังเคราะห์โมเลกุลและตัวรับสัญญาณใหม่จะดำเนินการในลักษณะเดียวกับยีนเป้าหมายในกรณีที่ไม่มีการเปิดใช้งานระบบปราบปราม

5. การมีอยู่ของกลไกของการควบคุมเชิงลบแบบเลือก - เซลล์จุลินทรีย์มีทั้งยีนควบคุมเชิงลบที่ขึ้นกับ QS และ QS ที่ไม่ขึ้นกับ QS ซึ่งผลิตภัณฑ์สามารถเลือกปิดการเชื่อมโยงทั้งหมดของระบบ QS หรือทั้งระบบโดยรวมได้

ข้าว. 11. โครงการทั่วไปการทำงานของระบบตรวจจับองค์ประชุม

หลักการเหล่านี้เป็นเรื่องปกติสำหรับระบบ QS เกือบทุกประเภท โดยไม่คำนึงถึงลักษณะเฉพาะของมัน การจัดโครงสร้าง- การเปิดตัวระบบ QS มักจะเกิดขึ้นพร้อมกับ ระยะเริ่มต้นการเติบโตแบบเอ็กซ์โปเนนเชียลซึ่งมีลักษณะของการเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วของความหนาแน่นของจำนวนเซลล์ ในทางกลับกัน การแสดงออกของยีนเป้าหมายมักจะเริ่มต้นด้วยการเข้ามาของประชากรเซลล์ในระยะที่หยุดนิ่ง และมักจะซับซ้อน นั่นคือ มันเกี่ยวข้องกับการเริ่มต้นของการสังเคราะห์ทางชีวภาพของผลิตภัณฑ์เกือบทั้งหมดที่ควบคุมโดย QS ในช่วงเวลาสั้น ๆ เวลา. ดังนั้นระยะแรกของการทำงานของระบบ QS จึงประกอบด้วยการรับรองการสังเคราะห์ทางชีวภาพของโมเลกุลสัญญาณและตัวรับสำหรับพวกมันจนถึงจุดหนึ่งซึ่งสอดคล้องกับการสะสมของความเข้มข้นสูงสุดของโมเลกุลสัญญาณในพื้นที่ระหว่างเซลล์เมื่อถึงจุดนั้น การทำงานของระบบ QS เข้าสู่สภาวะพึ่งพาตนเองได้

กลไกที่เป็นรากฐานของการเปิดใช้งานระบบ QS ก่อนกำหนดยังไม่ได้รับการอธิบายอย่างครบถ้วน แม้ว่าจะมีการค้นพบหน่วยงานกำกับดูแลที่แตกต่างกันจำนวนมากซึ่งมีบทบาทบางอย่างในการเปิดใช้งานระบบตั้งแต่เนิ่นๆ แต่คำถามมากมายยังคงไม่ได้รับการแก้ไข ประการแรกยังไม่ชัดเจนว่าการสะสมหลักของโมเลกุลการส่งสัญญาณและตัวรับนั้นได้รับการควบคุมอย่างไร มีสมมติฐานว่ามีโมเลกุลสัญญาณและตัวรับสัญญาณจำนวนหนึ่งปรากฏอยู่ในเซลล์อย่างต่อเนื่อง และการสะสมหลักเกิดขึ้นตามกลไกการพึ่งพาตนเองแบบเดียวกัน ในขณะที่ส่วนหนึ่งของสระในเซลล์ของสารประกอบเหล่านี้ถูกใช้เพื่อการสังเคราะห์ โมเลกุลสัญญาณและตัวรับ ส่วนที่เหลือจะถูกขับออกจากเซลล์ และเมื่อถึงระดับความเข้มข้นที่กำหนด จะถูกดูดซึมกลับเข้าไปและกระตุ้นการแสดงออกของยีนเป้าหมาย อย่างไรก็ตาม จากลักษณะเฉพาะของการทำงานของระบบ QS บางประเภท ดูเหมือนว่าไม่น่าจะเป็นไปได้ ในทางตรงกันข้าม เจมส์ พี. เพียร์สัน เชื่อว่าการกระตุ้นหลักของ QS นั้นดำเนินการด้วยความช่วยเหลือของหน่วยงานกำกับดูแลการถอดรหัสที่ไม่เฉพาะเจาะจง เช่น เอ็มวาที และ Vfr (วีความฉุนเฉียว ฉนักแสดง รผู้จำลอง) Pseudomonas aeruginosaและระบบจะเข้าสู่สถานะพึ่งตนเองได้ในภายหลัง