Percepción do quórum

A percepción do quórum ou percepción de quórum (en inglés quorum sensing) é un sistema de estímulos e respostas correlacionados coa densidade de poboación. Moitas especies de bacterias utilizan a percepción do quórum para coordinar a súa expresión xénica de acordo coa densidade da súa poboación local. As bacterias poden percibir se ao seu arredor hai moitas ou poucas bacterias da súa especie ou doutras especies, o que fará que se comporten dunha determinada maneira. Aínda que de xeito diferente ao das bacterias, os insectos sociais tamén poden percibir o quórum á hora de decidir facer un novo niño. Ademais da súa función nos sistemas biolóxicos, a percepción do quórum ten varias aplicacións en computación e robótica.
A percepción do quórum pode funcionar como un proceso de toma de decisións en calquera sistema descentralizado, con tal de que os individuos compoñentes teñan: (a) un medio de estimar o número dos outros compoñentes cos que interaccionan e (b) unha resposta estandarizada unha vez que se detecta un número limiar de compoñentes. Bacterias
Algúns dos exemplos máis coñecidos de percepción do quórum proceden do estudo das bacterias. As bacterias usan a percepción do quórum para coordinar certos comportamentos baseados na densidade local da poboación bacteriana. A percepción do quórum pode ocorrer entre bacterias dunha mesma especie ou de diversas especies, e pode regular un conxunto de procesos, servindo esencialmente como un indicador simple da densidade da poboación ou do grao de difusión no ambiente inmediato da célula. Poden utilizarse diversas moléculas para a sinalización celular do quórum. Os tipos máis comúns de moléculas de sinalización son os oligopéptidos nas bacterias grampositivas, as N-acil homoserina lactonas (AHL) nas bacterias gramnegativas, e unha familia de autoindutores coñecidos como autoindutor-2 (AI-2) que aparecen tanto en gramnegativas coma en grampositivas.
Mecanismo
As bacterias que usan a percepción do quórum constitutivamente producen e segregan certas moléculas de sinalización chamadas autoindutores ou feromonas. Estas bacterias tamén teñen un receptor que pode detectar especificamente a molécula sinalizadora (indutor). Cando o indutor se une ao receptor, activa a transcrición de certos xenes, incluíndo os que interveñen na síntese do indutor. Hai unha baixa probabilidade de que unha bacteria detecte o seu propio indutor segregado. Deste xeito, para que se active a transcrición dun xene, a célula debe encontrar no seu ambiente moléculas de sinalización segregadas por outras células. Cando só están na veciñanza unhas poucas bacterias do mesmo tipo, a difusión reduce a concentración do indutor no medio que as rodea a case cero, polo que a bacteria produce pouco indutor (para non desperdicialo). Porén, cando a poboación crece, a concentración do indutor supera certo limiar, facendo que se sintetice máis indutor. Isto orixina un bucle de retroalimentación positiva, e o receptor actívase completamente. A activación do receptor induce a regulación á alza da expresión doutros xenes específicos, o que causa que todas as células empecen a transcribir a aproximadamente o mesmo tempo. Este comportamente coordinado das células bacterianas pode utilizarse en diversas situacións. Por exemplo, a luciferase que orixina bioluminescencia producida por Vibrio fischeri non sería visible se a producise unha soa célula. Ao usaren a percepción do quórum para limitaren a produción de luciferase só nas situacións nas que a poboación celular é grande, as células de V. fischeri poden evitar o gasto de enerxía na produción dun produto que nesas condicións sería inútil.
Exemplos
Vibrio fischeri
A percepción do quórum foi observada primeiramente en Vibrio fischeri, unha bacteria bioluminescente que vive como un simbionte mutualista no fotóforo (ou órgano produtor de luz) da lura hawaiana Euprymna scolopes. Cando as células de V. fischeri levan unha vida libre no plancto, o autoindutor está en baixa concentración, e a célula non mostra luminescencia. Porén, cando están moi concentradas no fotóforo (unhas 1011 células/mL), indúcese a transcrición da luciferase e hai bioluminescencia.
Escherichia coli
Na bacteria gramnegativa Escherichia coli, a división celular pode estar parcialmente regulada pola percepción do quórum mediada por AI-2. Esta especie utiliza o AI-2, que se produce no operón lsr. Parte do operón codifica un transportador ABC, que importa AI-2externa cara ao interior da célula durante a fase (latente) estacionaria temperá de crecemento. Despois, AI-2 é fosforilada pola quinase LsrK, e orixínase fosfo-AI-2, que pode ser internalizada ou usada para suprimir a LsrR, un represor do operón lsr (e dese modo o operón queda activado). A transcrición do operón lsr tamén se cre que é inhibida pola dihidroxiacetona fosfato (DHAP) por medio da súa unión competitiva con LsrR. O gliceraldehido 3-fosfato tamén inhibe o operón lsr por medio dunha inhibición mediada por AMPc-CAPK. Isto explica por que, cando crece con glicosa, E. coli perde a capacidade de internalizar AI-2 (debido a represión por catabolito). Cando crece, normalmente a presenza de AI-2 é transitoria.
E. coli e Salmonella enterica non producen as moléculas de sinalización AHL (N-acil homoserina lactonas) que se encontran normalmente noutras bacterias gramnegativas, pero teñen un receptor que detecta as AHLs producidas por outras bacterias e cambia a súa expresión xénica de acordo coa presenza doutras poboacións "con quórum" de bacterias gramnegativas.
Salmonella enterica
Salmonella codifica un homólogo de LuxR, chamado SdiA, pero non codifica unha AHL sintase. O SdiA detecta as AHLs producidas por outras especies de bacterias como Aeromonas hydrophila, Hafnia alvei, e Yersinia enterocolitica. Cando se detectan AHL, o SdiA regula o operón rck no plásmido de virulencia de Salmonella (pefI-srgD-srgA-srgB-rck-srgC) e o xene srgE (que constitúe unha adquisición horizontal de xenes no seu cromosoma). Salmonella non detecta AHL cando pasa polo tracto gastrointestinal de varias especies animais, o que suxire que a microbiota intestinal normal non produce AHLs. Con todo, o SdiA actívase cando Salmonella atravesa o intestino de tartarugas colonizado por Aeromonas hydrophila ou de ratos infectados por Yersinia enterocolitica. Por tanto, Salmonella parece usar o SdiA para detectar a produción de AHL por outros patóxenos en vez de pola flora intestinal normal.
Pseudomonas aeruginosa
O patóxeno oportunista Pseudomonas aeruginosa utiliza a percepción do quórum para coordinar a formación de biofilmes, a motilidade para a formación de congregacións (swarming motility, motilidade de enxameamento), a produción de exopolisacáridos, e a agregación celular. Estas bacterias poden crecer dentro do seu hóspede sen causarlle dano, ata que chegan a certa concentración. Entón, convértense en agresivas, desenvólvense ata o punto no que o seu número é dabondo como para superar as capacidades do sistema inmunitario do hóspede, e forman un biofilme, que orixina unha enfermidade no hóspede. Outra forma de regulación xénica que permite que a bacteria se adapte rapidamente aos cambios do seu medio faise por sinalización por moléculas do seu medio ambiente. Recentes estudos descubriron que a anaerobiose pode causar un impacto significativo nos principais circuítos regulatorios da percepción do quórum. Esta importante ligazón entre a percepción do quórum e a anaerobiose ten un impacto significativo na produción de factores de virulencia neste organismo. O allo bolquea experimentalmente a percepción do quórum en Pseudomonas aeruginosa. Espérase que a degradación encimática terapéutica das moléculas de sinlaización poida impedir a formación dos biofilmes e posiblemente debilitar os biofilmes xa establecidos. Este modo de interromper o proceso de sinalización chámase inhibición do quórum.
Acinetobacter sp.
Descubriuse recentemente que Acinetobacter sp. tamén presenta actividade de percepción do quórum. Esta bacteria, que é un patóxeno emerxente, produce AHLs. É interesante que Acinetobacter sp. presenta tanto actividade de percepción do quórum (quorum sensing) coma de apagado do quórum (quorum quenching), nas que produce AHLs e tamén pode degradalas.
Aeromonas sp.
Esta bacteria considérase un patóxeno de peixes, pero recentemente descubriuse en infeccións en humanos. Illouse Aeromonas sp. de mostras de varias partes infectadas de pacientes humanos (bile, sangue, fluído peritoneal, pus, feces e urina). Todos os illados producían as dúas principais AHLs, a N-butanoilhomoserina lactona (C4-HSL) e a N-hexanoilhomoserina lactona (C6-HSL). Documentouse que Aeromonas sobria produce C6-HSL e dous AHLs adicionais cunha cadea lateral N-acil de máis de 6 carbonos.
Yersinia enterocolitica
As proteínas YenR e YenI producidas pola gammaproteobacteria Yersinia enterocolitica son similares ás proteínas LuxR e LuxI de Vibrio fischeri. YenR activa a expresión do ARN non codificante pequeno YenS. Despois, YenS inhibe a expresión de YenI e a produción de acil homoserina lactonas. YenR/YenI/YenS están implicadas no control da natación e da motilidade para a formación de congregacións (swarming motility).
Moléculas implicadas na percepción do quórum
As estruturas tridimensionais das proteínas implicadas na percepción do quórum publicáronse por primeira vez en 2001, cando se determinaron as estruturas cristalinas dos tres ortólogos LuxS por cristalografía de raios X. En 2002 determinouse a estrutura cristalina do receptor LuxP de Vibrio harveyi co seu indutor AI-2 (que é unha das poucas biomoléculas que conteñen boro) unido a el. Moitas especies de bacterias, como E. coli, unha bacteria entérica e organismo modelo de bacteria gramnegativa, producen AI-2. Unha xenómica comparada e a análise filoxenética de 138 xenomas de bacterias, arqueas, e eucariotas encontrou que "o encima LuxS requirido para a síntese de AI-2 está moi estendido entre as bacterias, mentres que a proteína de unión periplásmica LuxP está presente só en cepas de Vibrio", o que levou á conclusión de que ou ben "outros organismos poden usar compoñentes diferentes do sistema de transdución de sinais AI-2 das cepas de Vibrio para detectar o sinal de AI-2 ou ben non teñen ese sistema de percepción do quórum en absoluto".
Unha base de datos de péptidos para a percepción do quórum está dispoñible co nome Quorumpeps.
Certas bacterias poden producir encimas chamados lactonases que teñen como obxectivo e inactivan as AHLs.
Evolución
Análise de secuencias
A maioría dos sistemas de percepción do quórum que están dentro do paradigma dos "dous xenes" (unha autoindutor sintase acoplada cunha molécula receptora) como se define para o sistrema de Vibrio fischeri aparecen nas Proteobacteria gramnegativas. Unha comparación entre a filoxenia das Proteobacteria como a xerada utilizando as secuencias do ARNr 16S e as filoxenias de homólogos de LuxI, LuxR, ou LuxS mostra un nivel notablemente alto de semellanza global. En conxunto, os xenes da percepción do quórum parecen ter diverxido xunto co filo das Protecobacteria no seu conxunto. Isto indica que estes sistemas de percepción do quórum son bastante antigos, e orixináronse moi cedo na liñaxe das Proteobacteria.
Os exemplos de transferencia horizontal de xenes nas filoxenias de LuxI, LuxR, e LuxS, son evidentes pero relativamente raros. Este resultado concorda coa observación de que os xenes para a percepción do quórum tenden a controlar a expresión dun amplo conxunto de xenes espallados por todo o cromosoma bacteriano. Sería pouco probable que unha adquisición recente por transferencia horizontal de xenes estivese integrada no grao en que está. Dado que a maioría dos autoindutor–sintase/receptores aparecen en tándem nos xenomas bacterianos, é tamén raro que cambien de parella, polo que estes pares tenden a coevolucionar.
A filoxenia dos xenes da percepción do quórum nas Gammaproteobacteria (nas que se inclúe Pseudomonas aeruginosa e Escherichia coli) é especialmente interesante. Os xenes LuxI/LuxR forman un par funcional, no que LuxI é a autoindutor sintase e LuxR é o receptor. As Gammaproteobacteria son peculiares no feito de que posúen xenes de percepción do quórum que teñen unha secuencia marcadamente diverxente (aínda que son funcionalmente similares) aos xenes LuxI/LuxR. Esta familia de homólogos da percepción do quórum puido orixinarse nos devanceiros das Gammaproteobacteria, aínda que a causa da extrema diverxencia das súas secuencias xunto co mantemento da semellanza funcional aínda non foi explicada. Ademais, as especies que empregan sistemas de percepción do quórum discretos múltiples son case todas membros do grupo das Gammaproteobacteria, e a transferencia horizontal de xenes é máis evidente nesta clase.
Controversia
Como a percepción do quórum implica un comportamento cooperativo, este concepto foi posto en cuestión pola implicación evolutiva de tramposos cooperativos. Este problema pode ser eludido co concepto de percepción da difusión, que foi un modelo alternativo e complementario ao da percepción do quórum. Porén, ambas as explicacións teñen que enfrontarse aos problemas da sinalización nun ambiente celular complexo (múltiples especies compartindo o mesmo espazo) ou simple (unha soa célula confinada nun volume limitado), nos que a distribución espacial das células pode ser máis importante para a percepción do que a densidade de poboación de células. Propúxose como alternativa un novo modelo denominado percepción da eficiencia, que ten en conta ambos os problemas, a densidade de poboación e o confinamento espacial. Unha das posibles razóns para a controversia é que todas as terminoloxías actuais (percepción do quórum, percepción da difusión, percepción da eficiencia) implican a comprensión dos motivos e beneficios do proceso, e poden aplicarse só baixo deterrminadas circunstancias e non outras. Quizais unha solución sensata a estas controversias podería ser volver á terminoloxía de procesos de autoindución, tal como foron orixinalmente descritos por Hastings e colegas, xa que este termo non implica o coñecemento das intencións ou beneficios do proceso.
Tratamentos médicos anti-percepción do quórum
Ademais de pola súa potencial funcionalidade antimicrobiana, as moléculas da percepción do quórum, especialmente os péptidos, están a ser investigadas para o seu uso noutros dominios terapéuticos, como a inmunoloxía e oncoloxía. Este interese baséase en: (1) a recente evidencia de sinalización procariota–eucariota utilizando as moléculas de sinalización da percepción do quórum, (2) o fenómeno apoptótico visto en bacterias, (3) as claras semellanzas entre os mecanismos de percepción do quórum bacterianos e os procesos metastáticos que inician as células tumorais, (4) a unión a receptores múltiples, e (5) a posibilidade de manipular farmacoloxicamente os péptidos, o que ten como resultado o incremento da especificidade para receptores obxectivo. Arqueas
Exemplos
Methanosaeta harundinacea 6Ac
Methanosaeta harundinacea 6Ac, é unha arquea metanóxena, que produce compostos de acil homoserina lactona carboxilados que facilitan a transición desde o crecemento como células curtas ao crecemento como filamentos. Apagado do quórum
O apagado do quórum ou quorum quenching é o proceso que impide a percepción do quórum ao interromper os seus sinais. Isto pode conseguirse degradando a molécula sinalizadora. Utilizando un medio KG, as bacterias con quorum quenching poden illarse rapidamente de varios ambientes incluíndo as que previamente se consideraban incultivables. Recentemente, unha bacteria con quorum quenching ben coñecida foi illada e a súa cinética de degradación de AHL (N-acil homoserina lactonas) estudouse utilizando cromatografía líquida de rápida resolución (RRLC). Insectos sociais
As colonias de insectos sociais son un excelente exemplo de sistema descentralizado, porque ningún individuo dirixe ou toma decisións para toda a colonia. En varios grupos de insectos sociais observouse o fenómeno da percepción do quórum, que semella un proceso de toma de decisións colectiva á hora de fundar un novo niño ou colmea. Estes procesos son distintos dos bacterianos e non teñen un mecanismo tan bioquímico como aqueles, xa que o quórum é percibido polos sentidos do animal.
Un exemplo son as formigas Temnothorax albipennis cando están procurando un lugar para facer un novo niño entre as gretas das rochas. As formigas exploradoras encontrran novos lugares axeitados para o novo niño, volven ao niño vello, onde agardan un certo tempo recrutando máis formigas, que é inversamente proporcional á boa calidade do lugar para o novo niño. É dicir, a máis calidade do lugar, menos espera e máis recrutamento. As exploradoras que atoparon os lugares máis axeitados son as que recrutan máis formigas, que van ao novo lugar, as cales perciben que alí o número de veces con que se encontran con outras formigas excede un certo limiar e deciden fundar alí o novo niño, polo que regresan ao niño vello e trasladan as larvas, raíña e as demais formigas. As exploradoras que atoparon lugares peores non conseguen recrutar suficientes formigas para fundar neses lugares o niño.
Outro exemplo son as abellas melíferas (Apis mellifera) cando procuran novos lugares para formar a colmea. Algunhas obreiras procuran os novos sitios onde sería adecuado formar unha nova colmea, e regresan á colmea vella e recrutan a máis facendo unha danza, e o número de veces que repiten a danza é directamente proporcional á boa calidade da nova localización (no exemplo das formigas a proporcionalidade era inversa). Cando se chega a unha certa cantidade de recrutas no novo lugar (xeralmente 10-20 abellas) atínxese o limiar e volven á vella colmea para facer o traslado, avisando ás demais cunha vibración do corpo. Computación e robótica
En computación, a percepción do quórum pode seu unha útil ferramenta para mellorar a función de redes autoorganizadas como o sistema de monitorización ambiental SECOAS (Self-Organizing Collegiate Sensor, Sensor Colexiado Auto-Organizado). Neste sistema, os nodos individuais detectan que hai unha poboación doutros nodos para informar de datos similares. A poboación despois nomina un só nodo para informar dos datos, o que fai que se aforre enerxía. As redes sen fíos ad-hoc poden tamén beneficiarse da percepción do quórum computacional, ao permitirlle esta ao sistema detectar e responder ás condicións de rede.
En robótica, a percepción do quórum pode tamén usarse para coordinar o comportamento de enxames de robots autónomos. Utilizando un proceso similar ao usado polas formigas Temnothorax, os robots poden tomar rápidas decisións de grupo sen a dirección dun controlador.