Quorum Sensing: Bakteriler Nasıl İletişim Kurar?
Arş. Gör. Ecz. Ayşegül ATEŞ, Karadeniz Teknik Üniversitesi Eczacılık Fakültesi,
Farmasötik Mikrobiyoloji Anabilim Dalı
Önce sesini tanıdı insan. Sonra anlamı keşfetti. Ateş ve dumanla haberleşmenin keşfinden sonra ses yazıya, çizgiye dönüştü. İnsanlar anlatmak istediklerini duvarlara çizdikleri figürlerle aktarmaya başladılar. Mezopotamya’da çivi yazısı kullanılırken, M.Ö. 3000’e doğru gelindiğinde, dönemin büyük medeniyeti Antik Mısır’da hiyeroglifler kullanılmaya başlandı. Süreç matbaa makinesini icadıyla yeni bir boyut kazandı. 1793 yılında telgrafın keşfini 1876 yılında Alexander Graham Bell’ in iletişim tarihinde ciddi bir adım sayılan telefonun icadı izledi. Sonrasında radyo, faks makinesi, televizyon, bilgisayar akıllı telefonlar…
Yüzyıllar önce tek bir mesaj için aylarca, hatta belki yıl boyunca bekleyen insanoğlu, akıllı telefonların da sayesinde şimdi birkaç saniyede iletişim kurabiliyor. İletişimin yalnızca insanlara özgü olduğunu düşünmek aslında pek de doğru değil. Bu evrensel kavram yeryüzünde yaşayan tüm canlılar için geçerlidir. İlkel olduklarını düşündüklerimiz ama aslında çok daha fazlası olan bakteriler için bile …(1–3)
İletişim yeteneğinin çok hücreli “yüksek yapılı” organizmalara ait bir özellik olduğu, bakteriler gibi tek hücreli canlıların son derece basit bir yaşam tarzına sahip varlıklar oldukları düşünülüyordu. Ancak bakteriler sadece kendi türleri ile de değil, türler arası (interspecies) da iletişim kurabiliyorlar (4,5). Bakteriler arasındaki bu hücre-hücre iletişiminin temeli sinyal molekülleri aracılığıyla sağlanır. Bakterilerin bulundukları ortama sinyal molekülü olarak adlandırılan bir takım bileşenleri sentezlemeleri ve sentezlenen bu maddelerin yoğunluğu ile ortamdaki popülasyon yoğunluklarını algılayabilmeleri, özel genlerin ekspresyonunu gerçekleştirmeleri ve bu sinyalleri algılayarak çeşitli davranışlar sergilemesine “çoğunluk algılanması” ya da “Quorum-sensing” (QS) denir. (6,7).
Bakterilerin iletişim içinde oldukları ilk defa 1970’lerin başında Gram (-) bir deniz bakterisi olan Vibrio fischeri ve Vibrio harveyi üzerinde yapılan çalışmalar sırasında ortaya çıktı. Bu iki bakterinin serbest yaşarken ışıma (biyolüminesans) yapamamaları, ancak çoğalıp belirli bir sayıya ulaştıklarında ışık üretiyor olmaları ilgi çekiciydi. Besiyeri ortamında gerçekleştirilen deneylerde bu durumun besiyerinde mevcut olan bir inhibitörün yüksek bakteri sayılarına ulaştığında uzaklaştırılabilmesi ile açıklanmıştır. Ancak daha sonra yapılan çalışmalarla ışımanın başlama sebebinin bir inhibitörün uzaklaştırılmasından değil, bir aktivatörün (otoinducer) birikmesinden kaynaklandığı gösterilmiştir (8–10).
Bu aktivatör sinyal molekül aslında bakteriler tarafından üretilmektedir ve bakteri popülasyonundaki artış ile birlikte sinyal molekülü yeterli ve uygun konsantrasyona ulaştığında popülasyondaki bakteriler bakteri yoğunluğunu algılıyor ve gen anlatımında değişiklikler gerçekleştiriyorlar. Sinyal moleküllerinin bu özelliklerine bağlı olarak onlara otoindükleyici (autoinducer) denilmektedir. Birçok bakteriyel davranış QS mekanizmasındaki sinyaller ile kontrol edilmektedir (5,11).
Quorum sensing sadece bakterilerle sınırlı değil. Ökaryotik yapıdaki patojenik mantarlardan bazıları maya ve filamentli formları arasındaki değişimde bu mekanizmadan yaralanmaktadır.
QS mekanizmalarındaki sinyal molekülleri bakteri türlerine göre değişim gösterebilmektedir ve üç ana grupta incelenebilmektedir.
1. Açil- Homoserin Laktonlar (AHL/HSL)
2. Otoindükleyici oligopeptidler
3. Otoindükleyici-2 (AI-2)
Açil- Homoserin Lakton sinyal molekülleri gram negatif bakteriler tarafından kullanılır ve hücre zarından difüzyonla taşınırlar. Otoindükleyici oligopeptidler gram pozitif bakteriler tarafından kullanılan küçük peptid yapılı bileşenlerdir. Hücre zarındaki reseptörler ile tanınırlar. Furanosil borat diester türevi olan otoindükleyici- 2 grubu ise hem gram pozitif hem de gram negatif bakteriler tarafından kullanılırlar. Bu gruptaki sinyal molekülleri diğerlerinin aksine türler arasındaki iletişimi sağlamaktadır (4,12).
QS mekanizmaları sinyal moleküllerinin çeşidine ve bu moleküllerin algılanma mekanizmalarına göre üç sisteme ayrılır.
1. LuxI/LuxR sistemi: Gram negatif bakterilerde görülür. luxI, AHL sentezinde gerekli olan bir gen iken, luxR, AHL transkripsiyonunu kontrol eden bir regülatörü kodlar.
2. Oligopeptid sistemi: Gram pozitif bakterilerde
3. Hibrit sistemler: Gram pozitif ve gram negatif bakterilerde görülür (13).
Antibiyotik üretimi, biyofilm oluşumu, sporülasyon, konjugasyon, virülans faktörlerinin oluşumu, immün sistemden kaçış, kötü ve stres koşullarında yaşamını sürdürebilme, pigment üretimi, oksidatif strese tolerans gibi davranışlar QS tarafından kontrol edilmektedir (14). Son zamanlarda yapılan araştırmalar, bakteriler arasındaki aralarındaki haberleşme sistemi olan quorum sensingin bozulması durumunda bakterilerin koordineli davranamayacakları, konakta kolonize olma yeteneklerinin azalacağı ve bunun sonucunda bașarılı bir enfeksiyon süreci ortaya koyamayacaklarını göstermektedir. Dolayısıyla QS inhibisyonu enfeksiyonları tedavi etmek ve kontrol altında tutmak, patojenlerle savașta umut vaat eden yeni bir strateji olarak görülmektedir. Antibiyotik direncinin halk sağlığı açısından önemli bir problem oluşturması ve küresel boyutta da öncelikli bir alan haline gelmesi ayrıca yeni antibiyotik geliştirmenin uzun, zor ve maliyetli bir süreci beraberinde getirmesi QS inhibisyonunu ilgi çekici hale getirmiştir. Bu strateji QS molekülünün üretiminin önlenmesi, QS molekülünün yıkılması veya inhibisyonu ve QS sinyalinin alınmasının önlenmesi şeklinde farklı başlıklar altında incelenebilmektedir. İnhibisyon doğal, sentetik ve bilinen ilaç molekülleri ile gerçekleştirilebilmektedir. Tablo 1 de inhibitör özellikteki bu bileşenlere ait bazı örnekler gösterilmiştir (11,15–18).
Tablo1. QS inhibisyonu yapan bazı bileşenler
(15–17)
QS mekanizmasının kontrol edilebilmesi, bakterilerin ilişkili olduğu tüm alanlarda çeşitli uygulamalara yansıyabilir. Bu uygulamaların başında yeni terapötiklerin geliştirilmesi gelmektedir. Quorum Sensing inhibisyonu veya regülasyonu aracılığıyla yapılan çalışmaların gelecekte antimikrobiyal dirence karşı geliştirilecek ilaç ve moleküllere etkisi olacaktır.
Kaynakçalar:
1. Gönenç EÖ. İletişimin Tarihsel Süreci|Historical Process of Communication. İstanbul Üniversitesi İletişim Fakültesi Derg | Istanbul Univ Fac Commun J [Internet]. 2007;(28):87–102.
2. Küçük M, Eriş U, Oğuz T, Dal A, Aydın C, Orhon E. İletişim Bilgisi. 2012.
3. Aymaz G. İletişim Araçlarının Toplumsal Tarihi İçin Bir Giriş. Glob Media J TR Ed. 2018;8(16):124–39.
4. Karaboz İ, Sukatar A. Bakterilerde Sosyal Davranışlar. Orlab On-Line Mikrobiyoloji Derg Yıl2004. 2004;23–32.
5. Saraçli MA. “Quorum sensing”: Mikroorganizmalar iletişim mi kuruyor? Gulhane Med J. 2006;48(4):244–50.
6. Gülgör G, Korukluoğlu M. Mikroorganizmalar Arasında Çoğunluk Algılanması (Quorum Sensing). Uludağ Üniversitesi Ziraat Fakültesi Derg. 2015;28(2):83–92.
7. Whiteley M, Diggle SP, Greenberg EP. Progress in and promise of bacterial quorum sensing research. Nature. 2017;551(7680):313–20.
8. Eberhard A. Inhibition and activation of bacterial luciferase synthesis. J Bacteriol. 1972;109(3):1101–5.
9. Kempner Es, Hanson Fe. Aspects of light production by Photobacterium fischeri. J Bacteriol. 1968;95(3):975–9.
10. Nealson Kh, Platt T, Hastıng Jw. Cellular control of the synthesis and activity of the bacterial luminescent system. J Bacteriol. 1970;104(1):313–22.
11. Yeniçeri M. Bakterilerde Quorum Sensıng ve Antimikrobiyal Dirence Olan Etkisi. Cumhur Üniversitesi Sağlık Bilim Enstitüsü Derg. 2018;(3):41–5.
12. Miller MB, Bassler BL. Micronucleus in atypical squamous cell of undetermined significance. Annu Rev Microbiol. 23531;55:165–99.
13. FUQUA WC, WINANS SC, GREENBERG EP. Quorum Sensing in Bacteria: the LuxR-LuxI Family of Cell Density-Responsive Transcriptional Regulators. J Bacteriol. 1994;269–75.
14. Akova M. Bakteriler Arası İletişmin Egellenmesi: Umut Vaadeden Yeni Bir Antibakteriyel Tedavi Yaklaşımı. ANKEM Derg. 2005;19(Ek 2):126–8.
15. Çepni E, Gürel F. Bitkilerden Elde Edilen Anti Quorum Sensing Bileşikleri ve Yeni İlaç Geliştirmedeki Potansiyelleri. 2011;41(4):131–8.
16. Nazzaro F, Fratianni F, Coppola R. Quorum sensing and phytochemicals. Int J Mol Sci. 2013;14(6):12607–19.
17. Rasko DA, Sperandio V. Anti-virulence strategies to combat bacteria-mediated disease. Nat Rev Drug Discov. 2010;9(2):117–28.
18. Bosgelmez Tinaz G. Disruption of Bacterial cell-to-cell communication (Quorum Sensing): A Promising Novel Way to Combat Bacteria-Mediated Diseases. J Marmara Univ Inst Heal Sci. 2013;3(3):1.