O que é Quorum Sensing?


Introdução

O quorum sensing (sensor de quorum) corresponde a um processo de comunicação intra e interespécies microbianas, que permite aos microrganismos apresentarem alterações fenotípicas marcantes quando estes se encontram em altas densidades populacionais. A descoberta deste tipo de interação microbiana tornou evidente o conceito que, embora geneticamente e estruturalmente mais simples, os microrganismos têm a capacidade de se comportar como organismos complexos, capazes de se comunicar e agir coordenadamente, respondendo a diferentes estímulos de modo unificado.
Este interessante processo foi descoberto em bactérias luminescentes marinhas, habitantes de orgãos luminescentes de lulas e certos peixes.


Lula exibindo luminescência

Há muitos anos conhecia-se a existência de bactérias marinhas (por exemplo Vibrio fischeri) capazes de emitir luminescência. No entanto, este fenômeno era apenas observado quando os microrganismos encontravam-se confinados nos orgãos de luz dos animais. Quando tais bactérias encontravam-se livres na água do mar, a luminescência não era observada. Estudos posteriores revelaram que durante o dia as lulas expeliam as bactérias de seus orgãos de luz mas, à medida que a noite se aproximava, estas passavam a acumumular os microrganismos, que após um determinado período de tempo tornavam-se luminescentes. Em outras palavras, a emissão de luminescência estava associada à densidade populacional bacteriana. Posteriormente o processo que resultava na luminescência foi esclarecido, sendo denominado quorum sensing, uma vez que correspondia a um mecanismo de comunicação onde os microrganismos monitoravam sua densidade populacional.

 

O mecanismo de Quorum Sensing

Atualmente está bem definido que este sensoriamento populacional é realizado por meio de pequenas moléculas, denominadas autoindutores (AI). Os autoindutores podem ser de diferentes naturezas químicas: em organismos Gram negativos, via de regra os autoindutores são do tipo N-acil homoserina lactonas (AHL), que correspondem a pequenas moléculas que se difundem livremente para dentro e para fora das células. Em Gram positivos, normalmente os autoindutores correspondem a pequenos petídeos (hepta ou octapeptídeos) que se ligam a receptores localizados na superfície das células bacterianas.
Nos diferentes organismos que realizam o quorum sensing, o processo segue, essencilamente, as mesmas etapas.
Durante o crescimento microbiano, todas as células produzem e liberam uma pequena quantidade de autoindutores. Quando a população se encontra no meio da fase logarítmica ou no início da fase estacionária de crescimentno, a quantidade de autoindutor produzido alcança uma concentração limite, suficiente para disparar o processo de alteração da expressão gênica.
Em termos bastante simples: os autoindutores se ligam a proteínas receptoras que são então ativadas, promovendo a ativação da expressão de certos genes, podendo ainda inibir a expressão de outros genes que se encontravam ativos. Assim, o quorum sensing é ativado quando a concentração de autoindutor atinge um nível tal que sua ligação a uma proteína receptora é eficiente, permitindo a ativação transcricional de uma série de genes.


Regulação da bioluminescência em Vibrio fischeri

Para melhor ilustrar o mecanismo de quorum sensing, descreveremos o fenômeno de bioluminescência apresentado por Vibrio fischeri.
Nealson et al., (1970) revelaram que o sobrenadante de culturas densas de V. fischeri continha um composto capaz de induzir a luminescência em culturas de baixa densidade, sendo por isso denominado “autoindutor”. Este autoindutor (VAI – Vibrio AutoIndutor) foi identificado em 1981, como uma N-(3-oxohexanoil)homoserina lactona (OHHL), enquanto os genes regulatórios e estruturais necessários ao processo de luminescência (regulon lux) foram descritos em 1984, estando localizados em um segmento de DNA de 9 kb.
O regulon lux é composto por dois operons que são transcritos em direçoes opostas, sendo separados por uma região intergênica regulatória. O operon da esquerda contém o gene luxR, que codifica o ativador transcricional LuxR, que também atua como receptor do autoindutor. O operon da direita contém o gene luxI, que codifica a OHHL sintase. Abaixo do gene luxI, encontram-se os genes estruturais luxCDABE, que codificam as proteínas necessárias ao desenvolvimento da bioluminescência (subunidades a e b da luciferase – luxA e luxB, a redutase – luxC, transferase – luxD e sintetase – luxE).
Assim, em qualquer etapa de seu ciclo de vida, as células de V. fischeri estão produzindo pequenas quantidades do autoindutor (VAI), que se difunde livremente através das membranas da bactéria. Nestes estágios onde a população microbiana ainda é pequena, está ocorrendo a ligação do VAI ao seu receptor, LuxR, no entanto, tal ligação é ainda transiente. No entanto, à medida que a população aumenta, a quantidade de VAI também aumenta, até que atinge uma concentração limiar, que dispara o processo, resultando na ativação da tanscrição dos operons lux.
A proteína LuxR é modular, sendo constituída por um domínio C-terminal de ligação ao DNA e um domínio N-terminal de ligação à OHHL. A OHHL, produzida pelo gene luxI, liga-se à proteína LuxR, ativando-a. Esta quando ativada liga-se ao DNA, em um sítio específico, denominado lux box, que corresponde a uma região de 20 nucleotídeos invertidos repetidos, situada entre os dois operons lux.
O complexo VAI-LuxR liga-se ao lux box e estimula a transcrição dos operons, promovendo uma maior síntese de autoindutor, de proteína LuxR e de todo o aparato necessário à luminescência.


Regulação do operon lux pelo autoindutor de V. fischeri
 

 

Outras atividades microbianas associadas ao Quorum Sensing

Atualmente são conhecidas centenas de espécies microbianas que realizam o processo de quorum sensing, revelando que tal tipo de comunicação resulta em uma série de alterações fenotípicas apresentadas pelas culturas.
Dentre as principais atividades microbianas associadas ao quorum sensing temos:
– produção de antibióticos
– expressão de fatores de virulência
– aquisição do estado de competência (a capacidade de captar DNA do meio)
– transferência de DNA para outros organismos
– fixação de nitrogênio

Além destas atividades, cada vez mais está se tornando claro o papel ecológico desempenhado pelo quorum sensing. Sabe-se que os microrganismos sintetizam autoindutores bastante específicos, reconhecidos apenas por membros da mesma espécie. No entanto, pesquisas revelam que organismos de espécies próximas podem sintetizar autoindutores semelhantes, capazes de interferir no quorum sensing de outros organismos. Por exemplo, Staphylococcus epidermidis, um habitante da microbiota normal, sintetiza autoindutores que interferem no quorum sensing de S. aureus, um microrgnaismo potencialmente patogênico. Acredita-se que este tipo de interferência tenha como principal função impedir ou dificultar a colonização do hospedeiro por organismos invasores.

Há alguns anos foi descoberto um segundo tipo de autoindutor, denominado AI-2, que parece estar envolvido em um processo mais “geral” de cominucação microbiana. Este AI-2 seria reconhecido por um grande número de espécies, talvez atuando como uma molécula que sinaliza aos diferentes organismos a presença de outros microrganismos. Este seria um tipo de molécula que realizaria um “censo” geral da população.

A descoberta do quorum sensing trouxe novas e interessantes perspectivas para o controle microbiano, especialmente no que se refere ao tratamento de doenças infecciosas.

 

fonte: http://vsites.unb.br/ib/cel/microbiologia/quorum/quorum.html

Um comentário sobre “O que é Quorum Sensing?

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