Quorum sensing

Bienvenidos hoy hablaremos de Quorum sensing.

El Quórum Sensing es un mecanismos de comunicación bacteriano que depende de la densidad celular, donde se utiliza la emisión de diversas moléculas químicas como la acil homoceril lactona (AHL) y la presencia de uno o más autoinductores (dependiendo del sistema), logrando así la expresión coordinada de genes de respuesta. Los fenómenos fisiológicos regulados por el quórum sensing son diversos, entre ellos tenemos la formación de biopelículas, el movimiento colectivo denominado swarming y la expresión de factores de virulencia, este último muy importante en la generación de la patología infecciosa. La importancia de conocer las vías de comunicación implicadas en la detección de quórum, radica en la implementación de nuevas estrategias para reprimir la interacción célula-célula, impidiendo la expresión de factores de virulencia y por consiguiente el desarrollo de la infección. 

Hasta hace poco tiempo las bacterias habían sido consideradas como microorganismos no diferenciados y no cooperativos, sin posibilidad de que existiesen mecanismos de comunicación intercelular. Sin embargo, recientemente se supo que dichos microorganismos han desarrollado sofisticados mecanismos de comunicación denominados en conjunto “Quorum Sensing” (QS), lo que les permiten detectar y responder a las condiciones ambientales, incluyendo estímulos como los cambios de temperatura, la disponibilidad de nutrientes, presión, Oxígeno y pH.[1] El QS es considerado un mecanismo de comunicación entre bacterias que permite regular procesos importantes como la formación de biopelículas, la producción de metabolitos secundarios, la expresión de mecanismos de resistencia al estrés y la expresión de factores de virulencia. [2] Tales fenómenos se llevan a cabo a través de mecanismos de autoinducción de señales químicas presentes tanto en bacterias grampositivas como en gramnegativas [3]. En 1970 Nealson y Hastings en la universidad de Harvard, (Massachusetts) aislaron la enzima luciferasa (productora de luz) en la bacteria marina bioluminiscente Vibrio fischeri, descubriendo que dichos cultivos producían luz sólo cuando había una alta densidad de bacterias, hecho por el cual se supuso que estaba controlado por algún mecanismo molecular cuya señal era producida por las mismas bacterias [4]. El QS o percepción de quórum (en español) fue descrito por primera vez 1994 Fuqua y colaboradores, su etimología corresponde al término en inglés “quórum” que significa consenso y “sensing” que significa percepción lo que refiere al fenómeno mediante el cual las bacterias pueden comunicarse entre sí, excretando al medio moléculas señalizadoras qu son reconocidas por otros microorganismos homólogos [5]. Años más tarde se descubrió que un mecanismo similar al de V. fischeri, mediado por distintas moléculas de señalización de la misma familia, estaba implicado en la regulación genética de diversos procesos como la producción de bacteriocinas la liberación de factores de virulencia y la transferencia conjugacional de plásmidos en Pseudomonas aeruginosa, lo que inició una serie innumerable de descubrimientos que han brindado una nueva visión del mundo microbiano [1,6]. El objetivo de esta revisión es describir de forma general los sistemas de QS que utilizan las bacterias de manera colectiva.

Mecanismo en bacterias gramnegativas

 En las bacterias gramnegativas el proceso de la señalización ocurre a nivel intracelular y es regulado por proteínas receptoras en el citoplasma y en general de moléculas de AHL que al interactuar con dichas proteínas inducen su unión al ADN lo que modula la expresión de genes de respuesta [3]. El ejemplo más conocido de QS con un autoinductor es el de Vibrio fischeri, que fue la primera bacteria aislada con el fin de estudiar tal fenómeno. Tras los estudios se demostró que V. fisheri produce un compuesto difusible (AHL) que se acumula en el medio ambiente circundante solo durante la fase de crecimiento exponencial de la bacteria, lo que hace que se genere la expresión del gen de la luciferasa que (con ayuda del Oxígeno) oxida la luciferina produciendo oxiluciferina que al volver de su estado excitado a su estado basal emite luz en el medio cultivo (bioluminiscencia) [5]. El sistema desarrollado por esta bacteria es el más conocido y sencillo, porque tiene un único autoinductor, que corresponde a una molécula de AHL. El sistema está regulado por el operón luxI/luxR, que de forma constitutiva expresa niveles basales de la proteína LuxI y la proteína receptora del Lux R [12]. Cuando la concentración de la bacteria es muy baja la molécula autoinductora (LuxI) se produce en muy baja concentración y es secretada por difusión simple al medio extracelular donde se acumula pero no llega a concentraciones significativas. En estas condiciones, la bacteria no produce luz. Cuando los microorganismos se reproducen y alcanzan una alta densidad microbiana, la concentración del autoinductor es directamente proporcional a la cantidad de bacterias acumuladas, es estas circunstancias LuxI entra al interior de la bacteria, también por difusión y se une a su proteína receptora LuxR, momento en el que se induce la expresión del operón luxI/luxR sintetizándose la proteína receptora LuxR y la sintetasa del autoinductor LuxI, produciéndose una autoinducción del sistema. La unión del autoinductor a su proteína receptora LuxR induce también la expresión del operón luciferasa (luxCDABE) con la correspondiente producción de bioluminiscencia  [11].

Mecanismo en bacterias grampositivas

La señalización en las bacterias grampositivas ocurre de manera externa, es decir que las moléculas de señalización se caracterizan por no atravesar la membrana plasmática y por ello necesitan de receptores que se localizan en la pared celular. Teniendo en cuenta lo anterior, el primer evento de señalización ocurre afuera de la bacteria para luego interiorizarse por medio de un sistema de transducción, (el cual está conformado por dos moléculas: la histidín cinasa y la fosfatasa citoplasmática) encargadas de mediar la respuesta [13]. Los sistemas de QS de bacterias grampositivas se describieron con posterioridad a los presentes en bacterias gramnegativas, esto es debido en parte a que no utilizan autoinductores de tipo AHL. Las moléculas autoinductoras en bacterias grampositivas son pequeñas fracciones de oligopéptidos modificados, que al igual que las AHLs son muy específicos y confieren a la cepa bacteriana que las posee capacidad de comunicarse de forma intraespecífica. Estos oligopeptidos no se difunden a través de la membrana plasmática, y necesitan un transportador específico, que generalmente modifica la estructura del autoinductor. También necesita dos receptores; una histidín-quinasa de membrana y una proteína (regulador) que interacciona con el DNA y activa la transcripción [14]. El ejemplo más sencillo de estos sistemas de QS es el descrito en Staphylococcus aureus. Se trata de una bacteria que generalmente se encuentra haciendo parte de la microbiota normal del ser humano, y que en determinadas circunstancias se convierte en patógena e invade los tejidos. Cuando se encuentra en bajas concentraciones, S. aureus expresa factores proteicos que le permiten adherirse y colonizar superficies, sin embargo, a elevadas concentraciones celulares la síntesis de estos factores se reprime y la bacteria comienza a secretar factores de virulencia que afectan la integridad del tejido, siendo relevante mencionar que todos estos procesos están regulados por el sistema de QS denominado Agr [13]. 

REFERENCIAS

 1. Romero, M.; Otero, A. 2010. Interceptación de señales de comunicación bacteriana en bacterias     aisladas del medio marino. Revista Real Academia Galega de Ciencias, [en línea] [último acceso 24 marzo 2013] Vol.24: 129-206. Disponible en: http://www.ragc.cesga.es/ RRAGC/revista2010/pdf/interceptacion.pdf 

2. Barreto, A. Quorum Sensing: Sistemas de comunicación bacteriana. 2011. Ciencia actual [en línea] [último acceso 21 marzo 2013] 1(1)58-69 Disponible en: http://letravirtual.usbctg.edu.co/ index.php/cienciaactual/article/viewFile/159/152 

3. Flores, M.; Aguilar, G.; Cabrera, C.; Guzmán. J.; Flores, M. 2011. El impacto biológico de los autoinductores bacterianos. Revista de la Sociedad Venezolana de Microbiología [en línea] [último acceso 21 Marzo 2013] 31:104-111. Disponible en: http://www.scielo.org. ve/pdf/rsvm/v31n2/art05.pdf Working paper. All rights reserved 

4. Nealson, K.; Platt, T.; Hastings, C. 1970.Cellular control of the synthesis and activity of the bacterial luminescent system. J. Bacteriol. 104(1):313-22 

5. Fuqua, W.; Winans, S.; Greenberg, P. 1994. Quorum Sensing in Bacteria: the LuxR-LuxI family of cell density-responsive transcriptional regulators. J. Bacteriol 176(2):269-275 

6. Gray, K.; Passador, L.; Iglewski, B.; Greenberg, P. 1994. Interchangeability and specificity of components from the quorumsensing regulatory systems of Vibrio fischeri and Pseudomonas aeruginosa. J. Bacteriol. 176(10):3076–3080. 

7. Rojas, M. Quorum sensing en la asociación beneficiosa de las bacterias con las plantas. 2011. Rev. Colomb. Biotecnol. 13(2):135-143. 

8. Fuqua, C. 2006. The QscR Quorum-Sensing Regulon of Pseudomonas aeruginosa: an Orphan Claims Its Identity. J. Bacteriol 188(9):3169. 

9. Fuqua, C.; Greenberg, P. 2002. Listening on bacteria: acylhomoserine lactone signalling. Nat Rev Mol Cell Bio. 3:685-697. 

10. Debler, E.; Kaufmann, G.; Kirchdoerfer, R.; Mee, JM.; Janda, KD. 2007. Crystal Structures of a Quorum-quenching Antibody. J Mol Bio 18:1392–1402. 

11. Marquina, D.; Santos, A. 2010. Sistemas de quorum sensing en bacterias. Reduca 3(5):39-55. 

12. Eboigbodin, K.; Robinson, G. 2009. Monitoring bacterial Cell-toCell communication “Quorum sensing” using Fluostar Optima.BMGLabtech. [en línea] [último acceso 20 Abril 2013]. Disponible en: http://www.bmglabtech.com/db_assets/applications/downloads/ applications/199-quorum sensing.pdf 

13. Sprague, G.; Winans, S. 2006. Eukaryotes learn how to count: quorum sensing by yeast. Genes & Dev 20:1045–1049 Working paper. All rights reserved 

14. Waters, C.; Bassler, B. Quorum sensing: Cell to Cell Communication in Bacteria. Annual Reviews and Cellular Developmental Biology. 21:319-346. 

15. Schertzer, J.; Whitele, M. 2012. Bilayer-Couple Model of Bacterial Outer Membrane Vesicle Biogenesis. [en línea] [fecha de acceso 11 marzo 2013] Disponible en: http://mbio.asm.org/content/3/2/e00297- 11.full.pdf+html