Επικοινωνούν τα βακτήρια μεταξύ τους;

Τα βακτήρια επικοινωνούν μέσω ανίχνευσης απαρτίας, η οποία είναι μια διαδικασία που εξαρτάται από την πυκνότητα των κυττάρων που χρησιμοποιείται για την επικοινωνία μεταξύ τους προκειμένου να ρυθμιστεί η γονιδιακή έκφραση.

Θυμάστε τις παλιές καλές εποχές που η έξοδος με φίλους και οικογένεια δεν ήταν μια ριψοκίνδυνη πρόταση; Επιστρέψτε όταν ο συντονισμός των σχεδίων για μεγάλες ομάδες ήταν φυσιολογικός. Όσο χαρούμενες κι αν ήταν οι ομαδικές συγκεντρώσεις, ένα πράγμα που σίγουρα δεν λείπει σε κανέναν είναι το πόσο δύσκολο ήταν να ευθυγραμμιστούν τα προγράμματα όλων και να διαλέξουν μια κοινή ημερομηνία. Δεν πειράζει να κάνετε όλους να συμφωνήσουν αμοιβαία σε έναν χώρο ή ένα εστιατόριο. Η επικοινωνία μέσα σε μεγάλες ομάδες είναι πολύ καλή ικανότητα!

Η επικοινωνία ακούγεται απλή, αλλά στην πραγματικότητα είναι αρκετά περίπλοκη. Ρώτησες ποτέ τον άλλον σου «Τι συμβαίνει;» όταν έμοιαζαν με άσχημη διάθεση, μόνο για να φωνάζουν «Τίποτα!»;

Τα ανθρώπινα όντα, που κάθονται στην κορυφή της τροφικής αλυσίδας με τις πιο ανεπτυγμένες εγκεφαλικές και κοινωνικές δομές, εξακολουθούν να αγωνίζονται να περάσουν τα μηνύματά τους σε άλλους του είδους τους. Τι θα γινόταν αν σας έλεγα ότι τα ταπεινά, μονοκύτταρα βακτήρια το έχουν ήδη καταφέρει; Έχουν εξελίξει έναν τρόπο να επικοινωνούν μεταξύ τους σε τέλεια αρμονία. Χωρίς επιχειρήματα, χωρίς διαφωνίες, απλά να μεταδοθεί το μήνυμα με σαφή τρόπο. Συγκλονιστικό, έτσι δεν είναι;

Αυτή η μικροσκοπική μικρή ζωή σχηματίζει μόνο ένα κύτταρο σε μέγεθος, δεν έχει αυτιά ή στόμα και δεν έχει μεγάλο εγκέφαλο για να αποκωδικοποιήσει σημεία και σύμβολα. Πώς τότε «μιλάει» σε άλλους του είδους του; Πολύ απλά, τα βακτήρια χρησιμοποιούν χημικές ουσίες για να στείλουν μηνύματα το ένα στο άλλο, σε μια διαδικασία που ονομάζεται Ανίχνευση Απαρτίας (QS).

Τι είναι η ανίχνευση απαρτίας;

Η ανίχνευση απαρτίας, όπως υπονοεί η λέξη απαρτία, είναι ένας τρόπος μέτρησης του πληθυσμού των βακτηρίων σε μια δεδομένη τοποθεσία, προκειμένου να ενεργοποιηθούν συλλογικά ορισμένες ομαδικές συμπεριφορές.

Πολλά βακτήρια τείνουν να σχηματίσουν μια ομάδα και να ολοκληρώσουν το έργο τους μαζί. Έχουν συστήματα που τους κάνουν να εκφράζουν διαφορετικές συμπεριφορές σε διαφορετικές πυκνότητες πληθυσμού. Η ανίχνευση απαρτίας είναι το πώς όλοι γνωρίζουν πόσο μεγάλη είναι η ομάδα τους σε μια συγκεκριμένη τοποθεσία, η οποία στη συνέχεια διεγείρει ορισμένες συλλογικές συμπεριφορές που προγραμματίζονται στα γονίδιά τους.

Αυτές οι συλλογικές συμπεριφορές περιλαμβάνουν εργασίες όπως η βιοφωταύγεια (παραγωγή φωτός), η παραγωγή αντιβιοτικών, ο σχηματισμός βιοφίλμ, η μόλυνση του ξενιστή, ακόμη και η ανταλλαγή γενετικών πληροφοριών (σύζευξη), για να αναφέρουμε μόνο μερικά.

Πότε ανακαλύφθηκε αυτός ο τρόπος επικοινωνίας;

Κάποια στιγμή τον περασμένο αιώνα, οι επιστήμονες προβληματίζονταν για ένα βιοφωταυγές είδος βακτηρίων – το Vibrio Fischeri.

V. fischeri είναι ένα είδος θαλάσσιων βιοφωταυγών βακτηρίων που μπορούν να βρεθούν να επιπλέουν στο νερό των ωκεανών ή να στρώνονται σε καλαμάρια. Βρίσκονται σε συμβιωτικές σχέσεις με διαφορετικά θαλάσσια ζώα για να προσφέρουν αυτό το φως σε αντάλλαγμα για τροφή και καταφύγιο. Κατά τη διάρκεια της ημέρας, παράγουν φως για να καμουφλάρουν τους οικοδεσπότες τους, ενώ τη νύχτα, διευκολύνουν τον οικοδεσπότη τους να δει.

Αυτά τα συγκεκριμένα βακτήρια παράγουν το χαρακτηριστικό λαμπερό φως τους, αλλά μόνο σε ορισμένες πυκνότητες πληθυσμού. Οι επιστήμονες δεν μπόρεσαν να τους κάνουν να παράγουν αυτή τη βιοφωταύγεια σε μικρότερους αριθμούς, κάτι που τους άφησε να ξύνουν τα κεφάλια τους. Τελικά το 1970, κατάλαβαν την απάντηση - ανίχνευση απαρτίας.

Τα καλαμάρια έχουν συμβιωτική σχέση με το V. fischeri όπου τους επιτρέπει να ζουν πάνω στο σώμα τους. Σε αντάλλαγμα, τα καλαμάρια χρησιμοποιούν το φως που παράγουν. (Φωτογραφία:Narrissa Spies/Wikimedia Commons)

Ο μηχανισμός της ανίχνευσης απαρτίας

Το κλειδί για την ανίχνευση απαρτίας είναι η ύπαρξη μιας αρκετά μεγάλης βακτηριακής συγκέντρωσης για να εμφανιστεί η συμπεριφορά. Κάθε βακτήριο σηματοδοτεί την παρουσία του απελευθερώνοντας ειδικά μόρια σηματοδότησης γνωστά ως αυτόματοι επαγωγείς στο περιβάλλον γύρω του. Αυτά είναι το βακτηριακό ισοδύναμο των μορίων ζωικής ορμόνης.

Τα βακτήρια παράγουν και απελευθερώνουν φυσικά αυτούς τους αυτο-επαγωγείς, οι οποίοι ρέουν ελεύθερα μέσα και έξω από το κύτταρο με τη διαδικασία της διάχυσης. Καθώς τα βακτήρια συνεχίζουν να πολλαπλασιάζονται και να αυξάνονται σε αριθμό, περισσότερα από αυτά τα μόρια σηματοδότησης παράγονται και απελευθερώνονται στο περιβάλλον. Όλα τα βακτήρια μπορούν να αισθανθούν αυτή την αυξανόμενη ποσότητα μορίων σηματοδότησης μέσω των υποδοχέων στην επιφάνειά τους. Τελικά, επιτυγχάνεται μια ορισμένη συγκέντρωση, γνωστή ως συγκέντρωση κατωφλίου.

Σε αυτό το σημείο, τα βακτήρια συνειδητοποιούν:«Ω, περίμενε! Υπάρχουν τόσα πολλά μόρια σηματοδότησης γύρω και μέσα μου. Αυτό σημαίνει ότι αρκετοί φίλοι μου είναι κοντά. Ώρα να αρχίσουμε να εργαζόμαστε για την ομαδική μας εργασία.”

Υπάρχουν πολλές μορφές μορίων σηματοδότησης. Ο τύπος που παράγεται και απελευθερώνεται εξαρτάται από το είδος των βακτηρίων και την εργασία που πρέπει να πραγματοποιηθεί.

Τι κάνει το V. fischeri λάμψη;

V. fischeri παράγει ένα ειδικό ένζυμο που παράγει φως που ονομάζεται λουσιφεράση. Δεδομένου ότι ένα μόνο βακτήριο δεν μπορεί να παράγει αρκετό «φως», γίνεται σπατάλη πόρων για να το κάνει μόνο του. Η φύση είναι αποτελεσματική και έχει προγραμματίσει αυτά τα βακτήρια να παράγουν το φως τους μόνο όταν είναι σε επαρκή αριθμό για να επιτύχουν λάμψη.

V. fischeri παράγει ένα ένζυμο που ονομάζεται συνθάση AHL. Στη συνέχεια, η συνθάση AHL παράγει AHL (Ν-ακυλική ομοσερίνη λακτόνη), η οποία είναι ο αυτο-επαγωγέας που απελευθερώνει τα βακτήρια στο περιβάλλον τους.

Ως ο αριθμός των V. fischeri αύξηση, η ποσότητα του AHL αυξάνεται. Τελικά, η συγκέντρωση του AHL έξω από τα κύτταρα γίνεται μεγαλύτερη από τον αριθμό μέσα, με αποτέλεσμα η βαθμίδα συγκέντρωσης να αντιστραφεί και το AHL να ρέει πίσω στα βακτηριακά κύτταρα.

Μόλις το AHL αρχίσει να ρέει πίσω μέσα στο κύτταρο, ενεργοποιεί ορισμένα γονίδια που είναι υπεύθυνα για την παραγωγή της λουσιφεράσης. Με αυτόν τον τρόπο, αυτό το είδος βακτηρίων αρχίζει να λάμπει μόνο σε υψηλές πυκνότητες πληθυσμού.

Η διαδικασία ανίχνευσης απαρτίας στο V. fischeri, που οδηγεί στην ενεργοποίηση των γονιδίων που απαιτούνται για τη βιοφωταύγεια. (Φωτογραφία:Caroline Dahl/Wikimedia Commons)

Υπάρχουν άλλοι τρόποι ανίχνευσης απαρτίας;

Όπως οι άνθρωποι έχουν διαφορετικές γλώσσες, τα βακτήρια έχουν διαφορετικά είδη μορίων σηματοδότησης. Υπάρχουν δύο είδη βακτηρίων:gram θετικά και gram αρνητικά. Η κύρια διαφορά μεταξύ των δύο είναι όσον αφορά το πάχος και τη σύνθεση του κυτταρικού τοιχώματος. Εάν θέλετε να μάθετε περισσότερα για τις φύσεις γραμμάρια, ανατρέξτε σε αυτό το άρθρο.

Ο μηχανισμός της ανίχνευσης απαρτίας εξαρτάται από τη γραμμάρια φύση των βακτηρίων. Gram-αρνητικά βακτήρια όπως το V. fischeri χρησιμοποιήστε αυτόματους επαγωγείς, όπως τα AHL. Τα AHL χρησιμοποιούν διάχυση για κίνηση μέσα και έξω από το βακτηριακό σώμα.

Τα θετικά κατά Gram βακτήρια έχουν ελαφρώς αλλοιωμένο μηχανισμό. Τα σηματοδοτικά τους μόρια είναι πεπτίδια, μικρές σειρές αμινοξέων, στη θέση των AHL. Αντί να διαχέονται έξω από το βακτηριακό κύτταρο, ωθούνται προς τα έξω από αντλίες μεταφοράς.

Γιατί τα βακτήρια πρέπει να επικοινωνούν;

Πάρτε, για παράδειγμα, ένα παθογόνο βακτήριο που έχει εισέλθει σε ένα σώμα και αρχίζει να εκφράζει τα μολυσματικά του γονίδια (που προκαλούν ασθένειες) και ως αποτέλεσμα ειδοποιεί το ανοσοποιητικό σύστημα του ξενιστή. Το φτωχό μοναχικό βακτήριο θα χτυπηθεί από τα κύτταρα του ανοσοποιητικού.

Με την ανίχνευση απαρτίας, ωστόσο, τα βακτήρια μπορούν να περιμένουν, να αυξήσουν τον αριθμό τους και στη συνέχεια να απελευθερώσουν την κυριαρχία τους στο σώμα.

Τα βακτήρια αρχικά μένουν ήσυχα, σε stealth mode, ενώ συνεχίζουν να αναπαράγονται. Μόλις η βακτηριακή κοινότητα είναι αρκετά μεγάλη, αποκτά αυτοπεποίθηση για να αντιμετωπίσει το ανοσοποιητικό σύστημα του ξενιστή. Μόνο τότε θα ενεργοποιήσει τα γονίδια που απαιτούνται για την πρόκληση ασθένειας.

Ένα άλλο παράδειγμα είναι ένα πολύ κοινωνικό βακτήριο Myxococcus xanthus. Αυτά τα βακτήρια υπάρχουν στο έδαφος και κυκλοφορούν σε ομάδες αναζητώντας τροφή. Τώρα, αν το μόνο που κάνει κανείς είναι να κυκλοφορεί σε μια μικρή περιοχή και να φάει ό,τι βρίσκει εκεί, τελικά το φαγητό τελειώνει.

Μόλις συμβεί αυτό και αυτά τα βακτήρια αρχίσουν να λιμοκτονούν και αρχίζουν να περνούν ένα νέο μήνυμα στην ομάδα τους:«Συγκεντρωθείτε, ελάτε κοντά, μείνετε μαζί. Δημιουργήστε ένα συνεκτικό σώμα για να μπορούμε να ταξιδεύουμε συλλογικά.» Αυτό το μήνυμα επιτυγχάνεται μέσω μορίων σηματοδότησης που απελευθερώνονται όταν τα βακτήρια αρχίζουν να λιμοκτονούν.

Η έλλειψη τροφής ενεργοποιεί ένα προκαθορισμένο πρόγραμμα στα γονίδιά τους και σχηματίζουν αυτά που ονομάζονται «καρποφόρα σώματα»—ένα τεμαχισμένο κομμάτι αδρανών βακτηριακών σπορίων—που περιμένουν να μεταφερθούν από τον άνεμο σε άλλες τοποθεσίες πλούσιες σε τρόφιμα.

Συμπέρασμα

Ναι, τα βακτήρια όντως επικοινωνούν μεταξύ τους και έχουν εξελίξει εξελιγμένα συστήματα ανίχνευσης απαρτίας για να το κάνουν. Όντας μονοκύτταροι οργανισμοί, τα βακτήρια επικοινωνούν μέσω ανίχνευσης απαρτίας για να συντονίσουν τη συμπεριφορά και να λειτουργήσουν ως συλλογική πολυκύτταρα μονάδα.

Οι επιστήμονες ανακαλύπτουν ενεργά πώς να χειριστούν τα συστήματα QS για να αναπτύξουν νέες στρατηγικές για την καταπολέμηση των ασθενειών και την αύξηση της παραγωγής αντιβιοτικών.