Quorum sensing

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A comunicação entre bactérias dependente de quórum (“Quorum sensing”, QS) refere-se à capacidade das bactérias de detetar e responder, através da regulação génica, à densidade celular. Esta comunicação permite às bactérias restringir a expressão de genes específicos de modo a que esta ocorra apenas na presença de um elevado número de bactérias, onde o fenótipo resultante será o mais benéfico para a população. Várias espécies bacterianas usam esta comunicação para coordenar a expressão génica de acordo com a densidade celular local. Alguns dos fenótipos mais comuns regulados através de “quorum sensing” incluem a formação de biofilmes, a expressão de fatores de virulência, motilidade, regulação da bioluminescência, fixação de azoto e a esporulação [1]

Descoberta[editar | editar código-fonte]

“Quorum sensing” foi reportado pela primeira vez em 1970 na bactéria marinha fotoluminescente Aliivibrio fischeri, por Kenneth Nealson, Terry Platt, e J. Woodland Hastings [2]. Em culturas recentemente inoculadas, esta bactéria não sintetiza luciferase, uma enzima oxidativa que usa luciferina como substrato para a emissão de bioluminescência, sendo que esta só é sintetizada após um aumento da população bacteriana, tendo, por esta razão, o fenómeno sido denominado de autoindução.

Mecanismo[editar | editar código-fonte]

Bactérias gram-positivas e gram-negativas usam este mecanismo havendo, no entanto, algumas diferenças entre ambas [3]. Para que o “quorum sensing” ocorra, são necessárias três caraterísticas: a secreção de uma molécula sinalizadora, denominada molécula auto-indutora, a presença de recetores, para deteção de diferenças na concentração de moléculas sinalizadoras, e regulação da transcrição génica, como resposta [4]. Este processo é criticamente dependente do mecanismo de difusão das moléculas sinalizadoras. A sua secreção ocorre em pequenas quantidades por cada bactéria. No entanto, quando a densidade celular aumenta há um aumento concomitante da concentração local de moléculas sinalizadoras o que permite a sua deteção por recetores na membrana plasmática ou no citoplasma, o que leva a alterações da expressão génica [3].

Bactérias gram-positivas[editar | editar código-fonte]

Bactérias gram-positivas usam péptidos auto-indutores (“autoinducing peptides”, AIP) como moléculas sinalizadoras [5].

Quando bactérias gram-positivas detetam uma elevada concentração de péptidos auto--indutores, estes ligam-se a um recetor na membrana, ativando uma cinase. Esta cinase fosforila um fator de transcrição responsável pela regulação da transcrição génica.

Bactérias gram-negativas[editar | editar código-fonte]

Bactérias gram-negativas usam N-acil-homoserina lactonas (AHL) como moléculas sinalizadoras [5], que entram na célula por difusão e se ligam diretamente ao fator de transcrição para alterar a transcrição génica [3].

Quorum Quenching[editar | editar código-fonte]

O “quorum quenching” consiste no processo de prevenção e/ou inibição de “quorum sensing”, ao interferir com a presença e deteção das moléculas sinalizadoras [6]. Este é um mecanismo utilizado por vários organismos, tanto na reciclagem das suas próprias moléculas sinalizadoras como na competição com outros organismos que emitem sinais de QS. Existe uma grande diversidade de moléculas que, através de vários mecanismos possibilitam o “quorum quenching”. Por exemplo, certas enzimas conseguem inativar os sinais de “quorum sensing” de outros organismos, sendo denominadas de enzimas QQ, por outro lado, as moléculas que possuem a capacidade de interferir através da degradação ou modificação das moléculas sinalizadoras de QS são designadas por inibidores de QS. Foi ainda identificado um terceiro mecanismo que envolve a síntese de novas moléculas que mimetizam, estrutural mas não funcionalmente, as moléculas sinalizadoras e bloqueiam assim os recetores [7][8][9]

Mimetização de moléculas sinalizadoras[editar | editar código-fonte]

São conhecidos dois grandes grupos de moléculas capazes de mimetizar os sinais de QS, nomeadamente as furanonas halogenadas, que mimetizam AHL, e também péptidos sintéticos que mimetizam os auto-indutores que atuam por ligação aos recetores nas células. Existem evidências que as furanonas também atuam nos mecanismos de transcrição dependentes de AHL, diminuindo significativamente o tempo de vida do autoindutor LuxR [10].

Degradação de moléculas sinalizadoras[editar | editar código-fonte]

A estirpe bacteriana Bacillus cereus KM1S, isolada no solo da floresta tropical da Malásia, possui um mecanismo de “quorum quenching” bastante bem estudado. A cinética de degradação de AHLs foi estudada usando cromatografia líquida de rápida resolução (RRLC) e descobriu-se que o genoma desta estirpe codifica uma enzima que seletivamente degrada as moléculas de AHL, com potencial para ser usada como agente de controlo para doenças infeciosas dependentes de QS [11].

Modificação de moléculas sinalizadoras[editar | editar código-fonte]

Como já foi mencionado, AHLs são as moléculas sinalizadoras de “quorum sensing” pelas bactérias gram-negativas. Porém, estas moléculas podem ter diferentes tamanhos e diferentes grupos funcionais no grupo acilo. Isto resulta numa grande diversidade de AHLs, cujas modificações adicionais podem resultar na sua inativação. Por exemplo, as bactérias Curvibacter sp., principais colonizadores de Hydra vulgaris, produzem 3-oxo-HSL como molécula sinalizadora de QS. Porém, o hospedeiro possui uma oxidoreductase que converte 3-oxo-HSL em 3-hidroxi-HSL, inativando assim a molécula sinalizadora [12].

Aplicações[editar | editar código-fonte]

“Quorum quenching” tem sido bastante explorado na área da aquacultura, de forma a impedir a propagação de doenças e evitar o uso extensivo de antibióticos. Esta estratégia também tem sido aplicada na agricultura, para restringir a propagação de bactérias patogénicas que usam QS, passando pela modificação do cultivo para começarem a produzir enzimas QQ ou pela colonização da rizosfera com bactérias capazes de degradar sinais de QS [13][14].

É ainda uma área de interesse na prevenção da bioincrustação (“biofouling”), que levanta graves problemas no tratamento de águas residuais, pela formação de biofilmes que diminuem a eficiência dos processos [15]. Revela-se ainda um problema recorrente nas indústrias de transporte marítimo, nomeadamente nos cascos dos navios, e as metodologias de tratamento atuais dependem de compostos bastante tóxicos para o meio ambiente, pelo que o uso de estratégias de “quorum quenching” para inibir a formação de biofilmes apresenta-se como uma alternativa viável [16].


Referências[editar | editar código-fonte]

  1. Miller, M. B., & Bassler, B. L. (2001). Quorum sensing in bacteria. Annual Reviews in Microbiology, 55(1), 165-199
  2. Nealson, K. H., Platt, T., & Hastings, J. W. (1970). Cellular control of the synthesis and activity of the bacterial luminescent system. Journal of bacteriology, 104(1), 313-322
  3. a b c Bassler, B. L. (1999). How bacteria talk to each other: regulation of gene expression by quorum sensing. Current opinion in microbiology, 2(6), 582-587
  4. Pan, J., & Ren, D. (2009). Quorum sensing inhibitors: a patent overview. Expert opinion on therapeutic patents, 19(11), 1581-1601
  5. a b Rutherford, S. T., & Bassler, B. L. (2012). Bacterial quorum sensing: its role in virulence and possibilities for its control. Cold Spring Harbor perspectives in medicine, 2(11), a012427
  6. Alagarasan, G., Aswathy, K. S., & Madhaiyan, M. (2017). Shoot the Message, Not the Messenger—Combating Pathogenic Virulence in Plants by Inhibiting Quorum Sensing Mediated Signaling Molecules. Frontiers in plant science, 8, 556
  7. Chan, K. G., Atkinson, S., Mathee, K., Sam, C. K., Chhabra, S. R., Camara, M., ... & Williams, P. (2011). Characterization of N-acylhomoserine lactone-degrading bacteria associated with the Zingiber officinale (ginger) rhizosphere: co-existence of quorum quenching and quorum sensing in Acinetobacter and Burkholderia. BMC microbiology, 11(1), 51.
  8. Chan, K. G., Yin, W. F., Sam, C. K., & Koh, C. L. (2009). A novel medium for the isolation of N-acylhomoserine lactone-degrading bacteria. Journal of industrial microbiology & biotechnology, 36(2), 247
  9. Delalande, L., Faure, D., Raffoux, A., Uroz, S., D'Angelo-Picard, C., Elasri, M., ... & Dessaux, Y. (2005). N-hexanoyl-L-homoserine lactone, a mediator of bacterial quorum-sensing regulation, exhibits plant-dependent stability and may be inactivated by germinating Lotus corniculatus seedlings. FEMS microbiology ecology, 52(1), 13-20
  10. Basavaraju, M., Sisnity, V. S., Palaparthy, R., & Addanki, P. K. (2016). Quorum quenching: signal jamming in dental plaque biofilms. Journal of Dental Sciences, 11(4), 349-352
  11. Chan, K. G., Wong, C. S., Yin, W. F., Sam, C. K., & Koh, C. L. (2010). Rapid degradation of N-3-oxo-acylhomoserine lactones by a Bacilluscereus isolate from Malaysian rainforest soil. Antonie van Leeuwenhoek, 98(3), 299-305
  12. Pietschke, C., Treitz, C., Forêt, S., Schultze, A., Künzel, S., Tholey, A., ... & Fraune, S. (2017). Host modification of a bacterial quorum-sensing signal induces a phenotypic switch in bacterial symbionts. Proceedings of the National Academy of Sciences, 114(40), E8488-E8497
  13. Dong, Y. H., Wang, L. H., Xu, J. L., Zhang, H. B., Zhang, X. F., & Zhang, L. H. (2001). Quenching quorum-sensing-dependent bacterial infection by an N-acyl homoserine lactonase. Nature, 411(6839), 813-817
  14. Grandclément, C., Tannières, M., Moréra, S., Dessaux, Y., & Faure, D. (2015). Quorum quenching: role in nature and applied developments. FEMS microbiology reviews, 40(1), 86-116
  15. Drews, A. (2010). Membrane fouling in membrane bioreactors—characterization, contradictions, cause and cures. Journal of membrane science, 363(1-2), 1-28
  16. Choudhary, S., & Schmidt-Dannert, C. (2010). Applications of quorum sensing in biotechnology. Applied microbiology and biotechnology, 86(5), 1267-1279