Bakteri hücreleri arasında haberleşme (Cell-to-cell communication: quorum sensing)
Yakın zamana kadar tek ve çok hücreli organizmaları ayırmada önemli bir fark çok hücrelilerde hücrelerarası iletişimin olmasıydı. Yüksek canlılarda hücreler arasında sinyallerin gelip gitmesi, karmaşık sinyal yollarının olması onları tek hücrelilerden ayıran bir özellikti. Şimdi ise aynı türden yada farklı türlerden bakterilerin kendi aralarında haberleşebildiğini biliyoruz. Üstelik bu özellik bakterilerin yaşamsal fonksiyonlarıyla yakından ilişkili. Bir tek hücreli, etraftaki kendine benzer hücreleri nasıl algılıyor? Bu haberleşme için bakteriler kendi ürettikleri sinyal moleküllerini kullanıyorlar. Bu sinyaller komşu bakterinin zarından geçer ve bu sinyallerin miktarı arttığında ortamdaki bakteri sayısıda artmış demektir. İşte bu şekilde bakteriler kendi sayılarını algılayabilmekte. Bu algılamaya Quorum sensing denir.
Quorum-sensing mekanizması, türe özgü davranışı hep birlikte sergilemeyi, bu davranışı ortaya koymada zamanlamanın ayarlanmasını, çevresel şartlar sık sık değiştiğinde bu değişikliklere hızlı yanıt verebilme imkanını sağlar. Ki bu özellikler bakterinin adaptasyonunda ön sıradaki özellikler.
Bakteriler QS için hangi sinyal moleküllerini kullanır? Bilgimiz dahilinde olanlar Açil Homoserin Lakton (AHL) türevleri, oligopeptitler ve bu sınıflara girmeyen bazı moleküller.
Gram negatif bakterilerde Açil homoserin laktonlar;
Gram pozitif bakterilerde ise oligopeptitler etkili.
Türe özgü davranışlar nelerdir?
Sporulasyon, toplu kaçış, konjugasyon, hücre bölünmesi, antibiyotik üretimi, biyolüminesans, lag fazından çıkma, biyofilm oluşumu, nodül sayısını sınırlama, virülans faktörlerinin salgılanması, ekstrasellüler proteaz üretimi, ekzoenzimlerin üretimi.
Quorum-sensing mekanizması: aynı türe ait bakteriler arasında olabildiği gibi, farklı bakteri türleri arasında vede Prokaryot canlı ile ökaryot konağı arasında da olabilmektedir.
Salgılanan moleküler ve kullanılan algılama düzeneğine göre 3 tip quorum-sensing mekanizması vardır: Gram (-) bakterilerde LuxI homologları denilen bazı enzimler türe özgü AHL moleküllerini katalizler. Bu AHL’lar LuxR tipi transkripsiyonel düzenleyiciler tarafından algılanır. Gram (+) bakterilerde ise sinyal iletimi için oligopeptitlere bağlı olarak iki-bileşenli fosforlama zinciri kullanılır. (Örneğin Bacillus subtilis’de iyi araştırılmıştır). Üçüncü ve son mekanizma “Hibrit sistem”dir. Vibrio harveyi modelide denir. Burada hem oligopeptidleri görürüz hemde LuxI/LuxR tipi proteinler hücre içinde sinyal yolunda görev alır. İki tip sinyal üretilir: LuxLM tarafından AI-1 ve LuxS tarafından; AI-2 sinyal molekülleri. AI-1 molekülü tür içi sinyalleşmeyi sağlarken; AI-2 (LuxS) türler arası sinyalleşme de görev alır. Türler arası sinyalleşmeye “cross-talk” da denir.
Farklı türler arası sinyalleşmede çeşitli kanıtlar vardır:
1.AI-2 sinyalinin bir çok farklı türde bulunması
2.Streptococcus gordonii ve Porphyromonas gingivalis türleri birarada diş plakları oluşturmakta ve bunun için AI-2 sinyalini kullanmaktadır.
3.Pseudomonas aeroginasa LuxS geni taşımasa da AI-2 sinyaline yanıt vermekte ve patojenik özellikleri artmaktadır.
4. P. aeruginosa AHL sinyalleri ökaryotik hücrelere girebilmekte ve bu hücrelerde aktif olarak immün yanıtı değiştirebilmektedir. Özellikle 3-0-C12-HSL, kemokin interlökin 8 8IL-8) in üretimini stimüle etmektedir.
Staphylococcus
’larda biyofilm oluşturma, Agrobacterium’da bitkilerin enfeksiyonu yada P. aeroginosa enfeksiyonları tümüyle bakteriler arası sinyalleşmeye bağlıdır. Bu nedenle QS önümüzdeki yıllarda bakterilerin girdiği her alanda öncelikli çalışma konularından birini oluşturacaktır. Sinyalleri kontrol ederek üretim ve enfeksiyonların önlenmesine kadar pek çok konuda yenilikler beklenmektedir.
(Ayrıntılı bilgi için : Henke,J.M., Bassler, B.L. (2004) Bacterial Social Engagement, Trends in Cell Bio. 14 (11): 648-656)
Quorum Sensing-I (Yeterli Çoğunluk Algilanmasi)
Bakterilerin dunyasina baktigimizda, onlarin da insanlar gibi birbirleriyle iletisim kurdugunu, konustuklarini farkederiz. Aslinda bakterilerin cok gelismis sosyal bir hayati oldugu soylenebilir. Mesela topluluk halinda yasamayi tercih ederler; kucuk topluluklar (clusters) ve hatta biyofilmler olustururlar, yasama ortami olarak yiyecegin bol oldugu mekanlari secerler, cogalirlar, nufuslarini belli bir sinirin ustune cikarmazlar, cunku cogalmaya devam ederlerse acliktan oleceklerini bilirler. Bazi patojen (vucuda zararli) bakteriler, insan vucuduna girdikten sonra belli bir sayiya ulasmadan zehirli maddeler sentezleyip kendilerini ele vermezler, ve dahi saldiriya gecmezler. Cunku vucuttaki bagisiklik sistemi hucrelerinin (mesela akyuvarlar) onlari oldurebilecek kuvvette oldugunu bilirler; ama sayilari belli bir degerin ustune ciktiginda hucuma karar verecek kadar da akillilardir. Peki tum bu sosyal davranislari nasil oluyor da kucucuk bir bakteri (~1-10 μm) yapabiliyor? Gunumuzde bir cok hastaliga sebep olan ve milyonlarca insanin olumunden sorumlu olan bakterilerin zekasinin olmadigini soylemek dogru olur mu?
Şekil: Biyoluminesant Vibrio Fischeri Bakterisi
Bu sorularin cevabini gercekten biliyor muyuz? Tam olarak bilmesek bile bu davranislari aciklayabilecek bazi mekanizmalar mevcut. Bunlarin basinda da bence “Quorum Sensing” geliyor. Quorum Sensing’i bakterilerin birbirleriyle iletisim kurma, dolayisiyla sayilarini kontrol etme ve buna bagli olarak fizyolojik ve patojenik ozelliklerini degistirme mekanizmasi olarak tanimlayabiliriz. (Quorum: yeterli cogunluk, salt cogunluk)
Quorum Sensing-II (Yeterli Çoğunluk Algilanmasi)
Merakla beklenen "Quorum Sensing" mekanizmasini acikliyoruz. Asagidaki sekilde en basit quorum sensing modeli gosterilmistir. Bu quorum sensing mekanizmasi Vibrio Fischeri adli bakteriye aittir. Her bakterinin kendine ozgu bir quorum sensing mekanizmasi vardir ama genelde birbirlerine benzerler ve temel prensipler aynidir.
Vibrio fischeri adli bakteri okyanuslarda bulunur ve eger sayilari coksa ortama biyoluminisans ile isik verdigini goruruz, ama sayilari az iken ortama isik vermezler. Burdan anliyoruz ki, vibrio fischeri aslinda kendi nufusunun ne oldugunu biliyor ve buna gore ortama isik yayiyor veya yaymiyor.
Gelelim vibrio fischeri quorum sensing mekanizmasina: Simdi yukardaki sekle baktiginizda gorusunuz ki sistemde iki farkli protein var: LuxI ve LuxR. LuxI adli protein 3-oxo-C6-HSL [kisaca HSL(homoserin lakton) diyelim biz] adli molekulun sentezinden sorumludur. Lux R adli protein ise, HSL molekulune baglanir ve LuxR-HSL kompleksini olusturur. Bu kompleks de LuxI sentezini hizlandirir. Bu sistemde HSL molekulu aslinda otokatalizor gibi davranir. Cunku ortamda HSL molekulunun sayisi arttikca, LuxR-HSL kompleksinin miktari artar, kompleksin miktari arttikca bakteri daha fazla LuxI yapar, LuxI’in sayisi arttikca da bakteri daha fazla HSL sentezler. Mukemmel bir pozitif geri besleme halkasi (positif feedback loop) aslinda...
Vibrio fischeri'nde LuxI proteini yapildikca, yaninda ayni zamanda lusiferaz enzimi de sentezlenmektedir ki, bu da biyoluminisanstan, yani isigin olusmasindan sorumludur. Dolayisiyla, ortamda HSL miktari fazla ise, bu ortamda LuxI yapimi hizli olur ve bakteri ortama cok miktarda isik yayar.
HSL molekulleri bakteriden disariya ve iceriye kolayca diffuzyona ugrayabilen kucuk molekullerdir. Yani bir bakteri HSL sentezlediginde, HSL molekullerinin bir kismi ortama da verilir. Bu HSL molekullerini algilayan bakteriler bir araya gelirler, cogalirlar. Boylece bakteriler sayilarini bir yerde artirmis olurlar. Peki bakterilerin sayilari artinca ne olur? Yerel bir bolgede HSL derisimi artmis olur, yani bakteriler daha fazla LuxI sentezlemeye baslar ve bunun sonucu olarak ortama isik verirler. Ve bakteri sayisi belli bir degerin altindayken ortama verilen isik o kadar azdir ki, gorulemez; fakat belli bir eşik degerinin ustune ciktiginda ise ortama cok fazla isik vermeye baslarlar.
Vibrio fischeri adli bakteri quorum sensing sistemi ile ortama isik verip vermeyecegini kontrol ediyor. Bazi zararli bakteriler ayni sistemi kullanarak, saldiriya gecip gecmeyeceklerini kararlastiriyor, kimi bakteriler yine ayni sistemi kullanarak biyofilm olusturup olusturmayacaklarina karar veriyor ve kimileri ise zehirli madde salinimini kontrol ediyor.
Vibrio fischeri quorum sensing modeli biraz karisik gibi gorunse de, su ana kadar bulunmus en basit quorum sensing sistemidir. Aslinda tepkime kinetiginden baska bir sey olmayan bu quorum sensing sistemi, bir bakterinin sosyal yasamini aciklayabiliyor.
Kaynak: www.kimyasanal.net
Mikrobiyoloji
-
Antibiyotiklerin Etki Mekanizmaları Nelerdir?
-
Azot oksit
-
Petri Kutusunda Agarlı Besiyeri Hazırlanması
-
Tüpde Agarlı Besiyerlerinin Hazırlanması
-
Besiyeri Hazırlarken Dikkat Edilecek Hususlar Nelerdir ?
-
Dehidre Besiyerleri Nedir?
-
Besiyerinin Sahip Olması Gereken Özellikler
-
Besiyeri hazırlanmasında kullanılan maddeler nelerdir ?
-
Besiyerlerin Sınıflandırılması Nasıl Yapılır ?
-
Besiyerinin Tanımı ve Kullanım Amaçları Nelerdir ?
-
Pseudomonas Cinsine ait Türler
-
Veba - Yersinia Pestis
-
Tularemi - Francisella tularensis
-
Şarbon - Bacillus anthracis Enfeksiyonu
-
Bruselloz - Brucella spp