Бактериальная коммуникация основывается на универсальных сигнальных молекулах, называемых аутоиндукторами, которые регулируют экспрессию бактериальных генов в процессе, известном как кворум сенсинг (quorum sensing).
Подобно языкам между людьми, эти сигналы различаются между видами. Некоторые виды бактерий могут интерпретировать множество различных сигналов, в то время как другие реагируют на несколько избранных. Кворум-сенсинг позволяет отдельным бактериям внутри колоний координировать и выполнять такие общеколониальные функции, как: споруляция, биолюминесценция, вирулентность, конъюгация, жизнеспособность и формирование биопленки.
Как работает кворум-сенсинг? Во время своего репродуктивного цикла отдельные бактерии синтезируют аутоиндукторы. Грамотрицательные бактерии производят ацил-гомосеринлактоновые аутоиндукторы, которые могут пассивно диффундировать через их тонкую клеточную стенку. В отличие от них, аутоиндукторы грамположительных бактерий состоят из пептидов и должны активно транспортироваться через их пептидогликановую клеточную стенку с помощью системы транспортеров АТФ-связывающих кассет. В обоих случаях аутоиндукторы перемещаются из отдельных клеток по мере их производства.
Поскольку бактерии размножаются, отдельных клеток, вырабатывающих аутоиндукторы, становится все больше, и внеклеточная концентрация аутоиндукторов увеличивается, в конечном итоге достигая "критической массы". Этот порог делает энергетически невыгодным для внутриклеточных аутоиндукторов продолжать покидать клетку (путем диффузии или транспорта), что приводит к увеличению их внутриклеточной концентрации. После повышения внутриклеточной концентрации аутоиндукторы связываются со своими рецепторами, запуская сигнальные каскады, которые изменяют активность транскрипционных факторов и, следовательно, экспрессию генов. Для многих бактерий изменение экспрессии генов включает в себя снижение синтеза аутоиндукторов в рамках отрицательной обратной связи.
Кворум-сенсинг внутри вида может координировать развитие заболевания
Печально известная грамотрицательная патогенная бактерия Vibrio cholerae использует кворум-сенсинг для обеспечения вирулентности во время холерной инфекции. V. cholerae строит биопленки для транспортировки питательных веществ между колониями, одновременно защищая их. Способность образовывать биопленки внутри своего хозяина обеспечивает успех цикла размножения бактерии и в конечном итоге выделение холерного токсина, одного из двух факторов вирулентности, которые способствуют 21 000 - 143 000 смертям от холеры в мире каждый год.
Коварное и стремительное образование биопленки V. cholerae начинается сразу после попадания в тонкий кишечник человека. В процессе размножения отдельные V. cholerae вырабатывают видоспецифические аутоиндукторы. V. cholerae регулирует свой ответ на аутоиндукторы через LuxO. Когда внутриклеточная концентрация аутоиндукторов низкая, рецепторы аутоиндукторов действуют как киназы, перенося фосфат на LuxO (LuxO~P). LuxO~P способствует экспрессии белков, используемых для построения биопленок. По мере размножения V. cholerae внеклеточная концентрация аутоиндукторов увеличивается и в конечном итоге превышает внутриклеточную концентрацию аутоиндукторов каждой бактерии. Внутриклеточная концентрация аутоиндукторов в свою очередь увеличивается, аутоиндукторы связываются со своими рецепторами и изменяют активность рецепторов с киназной на фосфатазную. Затем рецепторы дефосфорилируют LuxO, что приводит к остановке экспрессии генов, специфичных для биопленки.
Производство биопленки останавливается одновременно у всех бактерий V. cholerae, и новая последовательность кворум зондирования обеспечивает движение V. cholerae по инфекционному процессу. Обладая этими знаниями, исследователи сейчас изучают процесс кворум-сенсинга V. cholerae в качестве терапевтической мишени. Например, одно интересное исследование показало, что перегрузка V. cholerae своими аутоиндукторами может полностью остановить процесс формирования биопленки и потенциально задержать инфекционный процесс настолько, что наши иммунные системы смогут наверстать упущенное. Нарушение структуры бактериальной коммуникации - это захватывающая инновация и практический ответ на резкий рост резистентности к антибиотикам у разных видов бактерий.
Межвидовой кворум-сенсинг способствует как конкуренции, так и кооперации
Кворум сенсинг между различными видами бактерий также имеет место. Например, некоторые виды не могут производить собственные аутоиндукторы, но имеют рецепторы для молекул аутоиндукторов других видов, что позволяет им чувствовать и реагировать на других в своей среде. Как и люди, бактерии действуют по принципу индивидуализма и коллективизма. Это качество может порождать конфликты, но также и сотрудничество, и межвидовой кворум сенсинг может принимать обе формы.
В настоящее время бактерии, распространенные по всему кишечнику, используют кворум-сенсинг в бесконечной войне с патогенными бактериями. Согласно одному исследованию, споры Bacillus в нашем кишечнике могут предотвратить заселение кишечного тракта Staphylococcus aureus, распространенной причиной пищевых отравлений, путем нарушения его системы кворум-сенсинга Agr. S. aureus использует систему кворум-сенсинга Agr для стимулирования воспаления в попытке улучшить поглощение питательных веществ (и вызвать симптомы, связанные с пищевым отравлением). Bacillus sp. производят химическое вещество фенгицин, которое известно своими противогрибковыми свойствами. Однако фенгицин также нарушает вирулентность S. aureus, конкурируя за сайты связывания аутоиндуктора S. aureus, уменьшая колонизацию и, следовательно, вирулентность.
Настораживает тот факт, что некоторые виды бактерий, по-видимому, используют кворум-сенсинг для усиления вирулентности друг друга, например, Burkholderia cepacia и Pseudomonas aeruginosa, которые иногда совместно инфицируют легкие пациентов с муковисцидозом. В одной из работ было показано, что инокуляция B. cepacia в культуральную среду, содержащую P. aeruginosa, приводит к повышению концентрации факторов вирулентности протеазы и сидерофора B. cepacia in vitro по сравнению с исходным уровнем. Оставшийся внеклеточный аутоиндуктор P. aeruginosa в культуральной среде изменял экспрессию генов B. cepacia, усиливая ее вирулентность.
Другие исследования показали, что Porphyromonas gingivalis и Streptococcus goronii используют один и тот же аутоиндуктор для формирования биопленок смешанного вида - симбиотические отношения, которые делают коинфекцию пародонтита очень мощной.
За короткое время своего существования на Земле люди стали эффективными коммуникаторами. Однако наше общение меркнет по сравнению с бактериями. Кворум сенсинг с использованием аутоиндукторов позволяет бактериям общаться как внутри вида, так и между видами. В последнем случае они могут либо конкурировать, либо сотрудничать с другими видами в зависимости от "сообщения" аутоиндуктора, которое они получают. Учитывая множество различных языков, культур и нюансов, людям предстоит пройти долгий путь, прежде чем наша коммуникация сравнится с бактериями.
