4.2: Detección de quórum

Otro tipo de comportamiento comunitario a nivel unicelular involucra un comportamiento conocido como detección de quórum. Este es un proceso mediante el cual los organismos pueden percibir la densidad de otros organismos en su entorno inmediato. Cada individuo secreta una molécula, a la que también pueden responder; la respuesta del organismo a esta molécula depende de la concentración de la molécula secretada y es no lineal. Entonces, ¿qué aspecto tiene una respuesta no lineal? A medida que aumenta la concentración de moléculas de señalización, existe una concentración discreta, conocida como la concentración umbral; por debajo de la concentración umbral las células (u organismos) no cambian su comportamiento en respuesta al compuesto secretado. Cuando las células u organismos están presentes a baja densidad, la concentración de la molécula de señalización nunca supera la concentración umbral. A medida que aumenta la densidad de organismos por unidad de volumen, sin embargo, la concentración de la molécula supera la concentración umbral y empiezan a suceder cosas interesantes; hay cambios en el comportamiento, a menudo asociados con cambios en la expresión génica (consideraremos lo que eso significa exactamente más adelante) ¹¹⁷.

Un ejemplo clásico de una serie de comportamientos cooperativos y de detección de quórum es proporcionado por la bacteria marina emisora de luz Vibro fischeri. Se trata de bacterias marinas que forman una relación simbiótica con el calamar Euprymna scolopes ¹¹⁸. En estos calamares, la bacteria V. fischeri coloniza un órgano especial conocido como órgano ligero. El calamar utiliza la luz emitida por este órgano para confundir y esconderse de sus propios depredadores mientras caza a sus presas. Si bien hay muchos pasos en el proceso de colonización, y su regulación es compleja, solo consideraremos algunos para indicar cómo son críticos los comportamientos cooperativos entre las bacterias. Para la colonización de los órganos ligeros del calamar, la bacteria V. fisherei debe unirse a una región específica del calamar juvenil. A medida que se dividen, perciben la presencia de sus vecinos y comienzan a secretar moléculas que forman una matriz gooey, esto lleva a la formación de un agregado especializado de células (conocido como biopelícula) que es esencial para que las bacterias colonicen los órganos ligeros del calamar. Dentro de la biopelícula, las bacterias adquieren la capacidad de seguir señales químicas producidas por las células de órganos ligeros del calamar. Las bacterias nadan (a través de un proceso conocido como quimiotaxis) hacia estas señales, ingresando y colonizando los órganos de luz.

Las bacterias en los órganos de luz emiten luz a través de una reacción que involucra a la molécula de luciferina. Este sistema de reacción implica diversas reacciones químicas acopladas (consideraremos con cierto detalle la termodinámica de tales reacciones en la siguiente sección del curso) y es catalizado (es decir, acelerada) por la proteína luciferasa. La proteína luciferasa está codificada por uno de los genes de la bacteria (su papel original se ha propuesto ser en la “desintoxicación de los derivados deletéreos del oxígeno” ¹¹⁹. Dado que las bacterias son pequeñas, se puede imaginar que se emitiría muy poca luz de una sola bacteria. Si hubiera sólo un pequeño número de bacterias dentro del órgano de luz, sería ineficaz llevar a cabo la reacción de emisión de luz. La reacción de emisión de luz ocurre solo cuando el número de bacterias dentro de un órgano de luz se vuelve suficientemente alto. Pero, ¿cómo saben las bacterias que están en presencia de un número suficiente de vecinos? Aquí es donde entra en juego la detección de quórum. Una molécula secretada por la bacteria regula los componentes de la reacción lumínica. A altas concentraciones de bacterias, la concentración de la molécula secretada se eleva por encima de un umbral, y las bacterias responden encendiendo su sistema emisor de luz.

Sistemas mecanísticamente similares están involucrados en una variedad de procesos que incluyen la generación de toxinas, factores de virulencia y antibióticos dirigidos contra otros tipos de organismos. Éstas se producen sólo cuando la densidad de la bacteria se eleva por encima de una concentración umbral. Esto asegura que cuando se fabrica una molécula biológicamente costosa, es efectiva —es decir, se produce a un nivel lo suficientemente alto como para llevar a cabo su función pretendida. Estos altos niveles solo pueden alcanzarse a través de comportamientos cooperativos que involucran a muchos individuos.

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