Савіцька Катерина

Шпак Анжела

студенти

Науковий керівник: к. б. н., доц. Русакова М. Ю.

Одеський національний університет імені І. І. Мечникова

м. Одеса

QUORUM SENSING – ОСНОВА ВЗАЄМОДІЇ МІКРООРГАНІЗМІВ

Впродовж багатьох років бактерії розглядалися переважно як автономні одноклітинні організми з невеликим потенціалом для колективної поведінки. Проте, зараз зрозуміло, що бактеріальні клітини насправді, дуже «комунікабельні» [1]. Тому виникає необхідність переходу від традиційного уявлення про бактерій як суворо одноклітинних організмів до визначення мікробних спільнот як цілісних структур, що регулюють свої поведінкові реакції залежно від умов існування [2].

Процес інформаційного обміну бактеріальних клітин між собою отримав назву «quorum sensing» (QS) – «почуття кворуму». Загальний термін «почуття кворуму» був прийнятий для опису механізмів зв'язку бактеріальних клітин, які координують експресію генів, зазвичай, при досягненні високої щільності клітин у популяції. Феномен регулювання був виявлений при вивченні біолюмінесценції у морської бактерії Vibrio fischeri. Довгий час вважалося, що QS використовується тільки цією бактерією і тільки для регуляції процесу біолюмінесценції. Однак з'ясувалося, що QS регулювання широко поширене серед різних грамнегативних і грампозитивних бактерій, і на даний час виявлено більш ніж у 50 видів бактерій [2].

Системи типу QS відіграють ключову роль у багатьох процесах бактеріальної клітини і функціонують як глобальні фактори регуляції. Прикладами процесів, що протікають лише при досить високій щільності клітинної популяції, служать наступні явища: споруляція у бацил і актиноміцетів; стимуляція росту у стрептококів і ряду інших мікроорганізмів; кон'югація з перенесенням плазмід у Enterococcus faecalis і споріднених видів, а також у бактерій роду Agrobacterium;  синтез экзоферментів та інших факторів вірулентності у фітопатогенів (Erwinia carotovora, E. hyacinthii та ін.) і тварин (Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus); утворення антибіотиків представниками роду Streptomyces; - формування біоплівок Р. aeruginosa та іншими мікроорганізмами [2].

Почуття кворуму залежить від синтезу мікроорганізмами невеликих молекул, т. зв. аутоіндукторів. У міру збільшення щільності бактеріальної популяції синтез сигнальних молекул також прискорюється, і, отже, їх концентрація в зовнішньому середовищі підвищується. QS дозволяє бактеріальній популяції встановлювати кооперативну відповідь, яка покращує доступ до поживних речовин або конкретних екологічних ніш, сприяє колективному захисту від інших прокаріотів-конкурентів або еукаріотичних механізмів захисту і сприяє виживанню шляхом перетворення у морфологічні форми, які краще пристосовані для боротьби з екологічними загрозами. Також QS долає межу «прокаріот – еукаріот», оскільки QS-залежні сигнали можуть бути розпізнані, зокрема інактивовані, як рослинами, так й ссавцями [1].

У міру колективного вироблення і виявлення сигналу аутоіндукторів зростає здатність всієї популяції синхронізувати регуляцію генів – отже QS є однією з форм хімічної комунікації і соціальної поведінки. Відповідно вона привернула величезний інтерес з боку дослідників у багатьох областях [3].

Будь-яка система quorum sensing включає сигнальну молекулу (індуктор), рецептор, фактор транскрипції і фермент, що каталізує синтез нових молекул індуктора. Іноді рецептор і фактор транскрипції являють собою один й той же білок. Серед генів, що транскрибуються, можуть бути послідовності, що кодують фактори вірулентності або білки, необхідні для утворення біоплівки. Найголовніше те, що експресія гена синтази сигнальних молекул теж QS-залежна. У разі успішної взаємодії сигналу з рецептором концентрація сигнальних молекул стрімко зростає. Якщо взаємодії не сталося, то нестабільна сигнальна молекула розкладається у навколишньому середовищі [4].

При низькій щільності популяції бактерії продукують базовий рівень аутоіндукторів. При підвищенні популяції до критичного рівня кількість відповідних молекул збільшується, вони накопичуються в середовищі. Коли їх концентрація доходить до певного значення, аутоіндуктори взаємодіють з рецепторними білками; комплекси рецепторний білок-аутоіндуктор зв'язуються з промоторними ділянками генів-мішеней, і в результаті відбувається активація (індукція) експресії специфічних наборів генів у бактерій [5].

Саме тому колективні дії мікробної популяції можливі тільки при певній концентрації сигнальних молекул. Тобто популяція діє злагоджено тільки тоді, коли збирається кворум. Бактерія може мати і більш однієї системи QS для транскрипції різних генів: наприклад, Р. aeruginosa їх три. У кожної з цих систем є свій індуктор, що спрацьовує при певній «робочій» концентрації [4].

Отже, сьогодні феномен QS викликає величезний інтерес дослідників, що працюють в області мікробіології і генетики мікроорганізмів, а також у прикладних галузях (медицина, сільське господарство та ін.).

Література

1. Williams, P. Bacterial cell-to-cell communication [Текст] / P. Williams // Phil. Trans. R. Soc. B. – 2007. – № 362. – Р. 1119–1134.

2. Шуб, Г. М. Микробные сообщества [Текст] / Г. М. Шуб, И. Г. Швиденко // Саратовский науч.-мед. журн. – 2010. – Т. 6, № 2. – С. 245–247.

3. Hagen, S. J. The Physical Basis of Bacterial Quorum Communication [Текст] / S. J. Hagen. – Springer, 2015. – 257 p.

4. Бактерии, молчать! Как и зачем вносить помехи в межклеточное общение? [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http:// biomolecula.ru/content/1793 (дата звернення 26.10.2015 р.). – Назва з екрана.

5. Хмель, А. Quorum sensing и коммуникация бактерий [Текст] / А. М. Хмель, А. С. Белик, Ю. В. Зайцева, Н. Н. Данилова. // Вестн. Моск. Ун-та. Сер. 16. Биология.  – 2008. – № 1. – С. 33-39.