7.21C: Detección de quórum

La detección de quórum es un sistema de estímulo y respuesta correlacionado con la densidad poblacional.

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

Explicar el mecanismo de detección de quórum en bacterias

Conclusiones clave

Puntos Clave

• Algunos de los ejemplos más conocidos de detección de quórum provienen de estudios de bacterias.
• Las bacterias utilizan la detección de quórum para coordinar ciertos comportamientos basados en la densidad local de la población bacteriana.
• Las bacterias que utilizan la detección de quórum producen y secretan constitutivamente ciertas moléculas de señalización (llamadas autoinductoras o feromonas).

Términos Clave

• Detección de quórum: La detección de quórum es un sistema de estímulo y respuesta correlacionado con la densidad poblacional. Muchas especies de bacterias utilizan la detección de quórum para coordinar la expresión génica de acuerdo con la densidad de su población local.
• densidad: Una medida de la cantidad de materia contenida en un volumen dado.
• población: Colección de organismos de una especie en particular, que comparten una característica particular de interés, la mayoría de las veces la de vivir en un área determinada.

La detección de quórum es un sistema de estímulo y respuesta correlacionado con la densidad poblacional. Muchas especies de bacterias utilizan la detección de quórum para coordinar la expresión génica de acuerdo con la densidad de su población local. De manera similar, algunos insectos sociales utilizan la detección de quórum para determinar dónde anidar. Además de su función en sistemas biológicos, la detección de quórum tiene varias aplicaciones útiles para computación y robótica.

La detección de quórum puede funcionar como un proceso de toma de decisiones en cualquier sistema descentralizado, siempre y cuando los componentes individuales tengan: (a) un medio para evaluar el número de otros componentes con los que interactúan y (b) una respuesta estándar una vez que se detecta un número umbral de componentes.

La detección de quórum se puede lograr degradando la molécula de señalización. Usando un medio KG, las bacterias que apagan el quórum pueden aislarse fácilmente de diversos ambientes, incluido el que anteriormente se ha considerado como incultivable. Recientemente, se ha aislado una bacteria de extinción de quórum bien estudiada y su cinética de degradación de AHL se ha estudiado mediante cromatografía líquida de resolución rápida (RRLC).

Algunos de los ejemplos más conocidos de detección de quórum provienen de estudios de bacterias. Las bacterias utilizan la detección de quórum para coordinar ciertos comportamientos basados en la densidad local de la población bacteriana. La detección de quórum puede ocurrir dentro de una sola especie bacteriana, así como entre diversas especies, y puede regular una serie de procesos diferentes, en esencia, sirviendo como una simple red de comunicación. Una variedad de moléculas diferentes pueden ser utilizadas como señales. Las clases comunes de moléculas de señalización son oligopéptidos en bacterias Gram-positivas, N-acil homoserina lactonas (AHL) en bacterias Gram-negativas y una familia de autoinductores conocidos como autoinductor-2 (AI-2) tanto en bacterias Gram-negativas como Gram-positivas.

Figura: Detección de quórum: Modelo de detección de quórum.

Las bacterias que utilizan la detección de quórum producen y secretan constitutivamente ciertas moléculas de señalización (llamadas autoinductoras o feromonas). Estas bacterias también tienen un receptor que puede detectar específicamente la molécula de señalización (inductor). Cuando el inductor se une al receptor, activa la transcripción de ciertos genes, incluyendo aquellos para la síntesis de inductores. Hay una baja probabilidad de que una bacteria detecte su propio inductor secretado. Así, para que la transcripción génica se active, la célula debe encontrar moléculas de señalización secretadas por otras células en su entorno. Cuando solo algunas otras bacterias del mismo tipo están en las proximidades, la difusión reduce la concentración del inductor en el medio circundante a casi cero, por lo que las bacterias producen poco inductor. Sin embargo, a medida que la población crece, la concentración del inductor pasa un umbral, provocando que se sinteticen más inductores. Esto forma un bucle de retroalimentación positiva, y el receptor se activa completamente. La activación del receptor induce la sobrerregulación de otros genes específicos, haciendo que todas las células comiencen la transcripción aproximadamente al mismo tiempo. Este comportamiento coordinado de las células bacterianas puede ser útil en una variedad de situaciones. Por ejemplo, la luciferasa bioluminiscente producida por Vibrio fischeri no sería visible si fuera producida por una sola célula. Al utilizar la detección de quórum para limitar la producción de luciferasa a situaciones en las que las poblaciones celulares son grandes, las células de V. fischeri son capaces de evitar desperdiciar energía en la producción de productos inútiles.

Las estructuras tridimensionales de las proteínas involucradas en la detección de quórum se publicaron por primera vez en 2001, cuando se determinaron las estructuras cristalinas de tres ortólogos LuxS mediante cristalografía de rayos X. En 2002, también se determinó la estructura cristalina del receptor LuxP de Vibrio harveyi con su inductor AI-2 (que es una de las pocas biomoléculas que contienen boro) unidas a él. Muchas especies bacterianas, incluyendo E. coli, una bacteria entérica y organismo modelo para bacterias Gram-negativas, producen AI-2. Un análisis genómico y filogenético comparativo de 138 genomas de bacterias, arqueas y eucariotas encontró que “la enzima luxS requerida para la síntesis de AI-2 está muy extendida en bacterias, mientras que la proteína de unión periplásmica LuxP está presente solo en cepas de Vibrio”, llevando a la conclusión de que “otra los organismos pueden usar componentes diferentes del sistema de transducción de señales AI-2 de las cepas de Vibrio para detectar la señal de AI-2 o no tienen dicho sistema de detección de quórum en absoluto.” Ciertas bacterias pueden producir enzimas llamadas lactonasas que pueden apuntar e inactivar AHL.