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7.21C: Quorum Sensing - Biologie

7.21C: Quorum Sensing - Biologie


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Quorum Sensing ist ein System von Stimulus und Reaktion, das mit der Bevölkerungsdichte korreliert.

LERNZIELE

Erklären Sie den Mechanismus des Quorum Sensing bei Bakterien

Wichtige Punkte

  • Einige der bekanntesten Beispiele für Quorum Sensing stammen aus Studien an Bakterien.
  • Bakterien verwenden Quorum Sensing, um bestimmte Verhaltensweisen basierend auf der lokalen Dichte der Bakterienpopulation zu koordinieren.
  • Bakterien, die Quorum Sensing nutzen, produzieren und sezernieren konstitutiv bestimmte Signalmoleküle (sogenannte Autoinduktoren oder Pheromone).

Schlüsselbegriffe

  • Quorum-Sensing: Quorum Sensing ist ein System von Stimulus und Reaktion, das mit der Bevölkerungsdichte korreliert. Viele Bakterienarten verwenden Quorum Sensing, um die Genexpression entsprechend der Dichte ihrer lokalen Population zu koordinieren.
  • Dichte: Ein Maß für die Menge an Materie, die in einem bestimmten Volumen enthalten ist.
  • Population: Eine Sammlung von Organismen einer bestimmten Art, die ein bestimmtes Merkmal von Interesse teilen, meistens das Leben in einem bestimmten Gebiet.

Quorum Sensing ist ein System von Stimulus und Reaktion, das mit der Bevölkerungsdichte korreliert. Viele Bakterienarten verwenden Quorum Sensing, um die Genexpression entsprechend der Dichte ihrer lokalen Population zu koordinieren. In ähnlicher Weise verwenden einige soziale Insekten Quorum Sensing, um zu bestimmen, wo sie nisten sollen. Neben seiner Funktion in biologischen Systemen hat Quorum Sensing mehrere nützliche Anwendungen für Computer und Robotik.

Quorum Sensing kann in jedem dezentralen System als Entscheidungsfindungsprozess fungieren, solange die einzelnen Komponenten: (a) ein Mittel zur Bewertung der Anzahl anderer Komponenten haben, mit denen sie interagieren, und (b) eine Standardantwort, sobald eine Schwellenwertanzahl von Komponenten erreicht ist ist angeschlossen.

Quorum Sensing kann durch Abbau des Signalmoleküls erreicht werden. Unter Verwendung eines KG-Mediums können Quorum-Quenching-Bakterien leicht aus verschiedenen Umgebungen isoliert werden, einschließlich der Umgebung, die zuvor als nicht kultivierbar angesehen wurde. Vor kurzem wurde ein gut untersuchtes Quorum-Quenching-Bakterium isoliert und seine AHL-Abbaukinetik wurde unter Verwendung von Rapid Resolution Liquid Chromatography (RRLC) untersucht.

Einige der bekanntesten Beispiele für Quorum Sensing stammen aus Studien an Bakterien. Bakterien verwenden Quorum Sensing, um bestimmte Verhaltensweisen basierend auf der lokalen Dichte der Bakterienpopulation zu koordinieren. Quorum Sensing kann sowohl innerhalb einer einzelnen Bakterienart als auch zwischen verschiedenen Arten auftreten und eine Vielzahl unterschiedlicher Prozesse regulieren, im Wesentlichen als einfaches Kommunikationsnetzwerk dienen. Als Signale können eine Vielzahl unterschiedlicher Moleküle verwendet werden. Gängige Klassen von Signalmolekülen sind Oligopeptide in Gram-positiven Bakterien, N-Acyl Homoserin Lactone (AHL) in Gram-negativen Bakterien und eine Familie von Autoinduktoren bekannt als Autoinducer-2 (AI-2) sowohl in Gram-negativen als auch Gram- positive Bakterien.

Bakterien, die Quorum Sensing nutzen, produzieren und sezernieren konstitutiv bestimmte Signalmoleküle (sogenannte Autoinduktoren oder Pheromone). Auch diese Bakterien besitzen einen Rezeptor, der das Signalmolekül (Induktor) spezifisch erkennen kann. Wenn der Induktor an den Rezeptor bindet, aktiviert er die Transkription bestimmter Gene, einschließlich derer für die Induktorsynthese. Es besteht eine geringe Wahrscheinlichkeit, dass ein Bakterium seinen eigenen sezernierten Induktor erkennt. Damit die Gentranskription aktiviert werden kann, muss die Zelle daher auf Signalmoleküle treffen, die von anderen Zellen in ihrer Umgebung sezerniert werden. Wenn nur wenige andere Bakterien der gleichen Art in der Nähe sind, reduziert die Diffusion die Konzentration des Induktors im umgebenden Medium auf fast Null, so dass die Bakterien wenig Induktor produzieren. Wenn die Population jedoch wächst, überschreitet die Konzentration des Induktors einen Schwellenwert, wodurch mehr Induktor synthetisiert wird. Dies bildet eine positive Rückkopplungsschleife und der Rezeptor wird vollständig aktiviert. Die Aktivierung des Rezeptors induziert die Hochregulierung anderer spezifischer Gene, wodurch alle Zellen ungefähr zur gleichen Zeit mit der Transkription beginnen. Dieses koordinierte Verhalten von Bakterienzellen kann in einer Vielzahl von Situationen nützlich sein. Zum Beispiel die biolumineszierende Luciferase, die von VibrioFischeri wäre nicht sichtbar, wenn es von einer einzelnen Zelle produziert würde. Durch die Verwendung von Quorum Sensing, um die Produktion von Luciferase auf Situationen mit großen Zellpopulationen zu beschränken, können V. fischeri-Zellen vermeiden, Energie für die Produktion nutzloser Produkte zu verschwenden.

Dreidimensionale Strukturen von Proteinen, die am Quorum Sensing beteiligt sind, wurden erstmals 2001 veröffentlicht, als die Kristallstrukturen von drei LuxS-Orthologen durch Röntgenkristallographie bestimmt wurden. 2002 wurde auch die Kristallstruktur des Rezeptors LuxP von Vibrio harveyi mit seinem daran gebundenen Induktor AI-2 (einem der wenigen borhaltigen Biomoleküle) bestimmt. Viele Bakterienarten, darunter E. coli, ein enterisches Bakterium und Modellorganismus für gramnegative Bakterien, produzieren AI-2. Eine vergleichende genomische und phylogenetische Analyse von 138 Genomen von Bakterien, Archaeen und Eukaryoten ergab, dass „das für die AI-2-Synthese erforderliche Enzym LuxS in Bakterien weit verbreitet ist, während das periplasmatische Bindungsprotein LuxP nur in Vibrio-Stämmen vorhanden ist“, was zu der Schlussfolgerung, dass entweder „andere Organismen andere Komponenten als das AI-2-Signaltransduktionssystem der Vibrio-Stämme verwenden können, um das Signal von AI-2 zu erfassen, oder sie haben überhaupt kein solches Quorum-Sensing-System. ” Bestimmte Bakterien können Enzyme produzieren, die Lactonasen genannt werden, die AHLs angreifen und inaktivieren können.