U biologiji, Kvorumski kponsenzus, kvorumsko osjećanje ili kvorumska signalizacija (QS) je proces komunikacije između ćelija što omogućava bakterijama da detektuju i reaguju na gustinu populacije ćelija putem regulacije gena, obično kao sredstvo prilagođavanja na nepovoljne uslove okoline.

Kvorumsk sensing je tip ćelijske signalizacije i može se preciznije smatrati vrstom parakrine signalizacije. Međutim, ona također sadrži osobine autokrine signalizacije: ćelija proizvodi i molekulu autoinduktora i receptor za autoinduktor. Kao jedan primjer, kvorumski sensing omogućava bakterijama da ograniče ekspresiju specifičnih gena na visoke gustoć ćelija pri kojima će rezultirajući fenotipovi biti najkorisniji, posebno za one koji bi bili neefikasni pri niskim gustinama ćelija i stoga energetski previše skupi za ekspresiju.

Mnoge vrste bakterija koriste kvorumski konsezus, kako bi koordinirale ekspresiju gena u skladu s gustoćom svoje lokalne populacije. Na sličan način, neki društveni insekti koriste kvorumski ensig kako bi odredili gdje će se gnijezditi. Kvorumski konsenus kod patogenih bakterija aktivira imunsku signalizaciju domaćina i produžava preživljavanje domaćina, ograničavanjem unosa hranjivih tvari u bakterije, kao što je triptofan, koji se dalje pretvara u serotonin. Kao takvo, kvorumsko očitavanje omogućava komensalnu interakciju između domaćina i patogenih bakterija. Kvorumsko očitavanje može biti korisno i za komunikaciju ćelija raka.

Pored svoje funkcije u biološkim sistemima, kvorum sensing ima nekoliko korisnih primjena za računarstvo i robotiku. Općenito, kvorum sensing može funkcionirati kao proces donošenja odluka u bilo kojem decentraliziranom sistemu u kojem komponente imaju: (a) sredstvo za procjenu broja drugih komponenti s kojima interaguju i (b) standardni odgovor kada se otkrije prag broja komponenti.

Otkriće Prva zapažanja fenotipski kontroliranog autoinduktorom kod bakterija objavili su 1970. godine Kenneth Nealson, Terry Platt i J. Woodland Hastings, koji su primijetili ono što su opisali kao uvjetovanje medija u kojem su uzgajali bioluminiscentnu morsku bakteriju Aliivibrio fischeri. Ove bakterije nisu sintetizirale luciferazu— i stoga nije luminiscirale —u svježe inokuliranoj kulturi, ali tek nakon što se populacija bakterija značajno povećala.

U nizu publikacija od 1998. do 2001., Bonnie Bassler je pokazala da kvorum sensing nije samo izolirani mehanizam kod Aliivibrio fischeri, već se sveprisutno koristi kod bakterija za komunikaciju. Ovaj napredak je pokazao da su bakterije sposobne za obavljanje složenih, kolektivnih ponašanja.

Etimologija Budući da su Nealson, Platt i Hastings pripisivali uvjetovanje medija za rast rastućoj populaciji samih ćelija, ovaj fenomen su nazvali autoindukcijom.

Godine 1994., nakon što se proučavanje fenomena proširilo na nekoliko dodatnih bakterija, Stephen Winans nije vjerovao da riječ "autoindukcija" u potpunosti opisuje pravi proces, pa je u preglednom članku, čiji su autori bili W. Claiborne Fuqua i E. Peter Greenberg, uveli su termin quorum sensing (kvorumsko osjećanje). Njegova upotreba je također izbjegla konfuziju između termina autoindukcija i autoregulacija. Novi termin nije naišao naslutiti, već je nastao metodom pokušaja i grešaka. Među alternativama koje je Winans stvorio i razmatrao bili su gridlockins (zastoji u radu), comuniolins (komuniolini) i quomone (kvoromon).

Bakterije

thumb|upright=1.2| Kvorumska detekcija Gram-negativnih ćelija. thumb|upright=1.2|Kvorum senzori kod gram-pozitivnih bakterija Neki od najpoznatijih primjera kvorum senzora potiču iz studija o bakterijama. Bakterije koriste kvorum senzor za regulaciju određenih fenotipskih ekspresija, koje zauzvrat koordiniraju njihovo ponašanje. Neki uobičajeni fenotipovi uključuju formiranje biofilma, ekspresiju faktora virulencije i pokretljivosti. Određene bakterije su u stanju koristiti kvorumski senzor za regulaciju bioluminiscencija, fiksacija dušika i sporulacija.

Funkcija kvorum-senzusa zasniva se na lokalnoj gustoći bakterijske populacije u neposrednom okruženju. Može se javiti unutar jedne bakterijske vrste, kao i između različitih vrsta. I Gram-pozitivne i Gram-negativne bakterije koriste kvorum-sensing, ali postoje neke velike razlike u njihovim mehanizmima.

Mehanizam Da bi bakterije konstitutivno koristile kvorum sensing, moraju posjedovati tri sposobnosti: sekreciju signalnih molekula i regulaciju transkripcije gena, kao odgovor. Ovaj proces uveliko zavisi od mehanizma difuzije signalnih molekula. QS signalne molekule obično pojedinačne bakterije luče na niskom nivou. Pri niskoj gustoći ćelija, molekule mogu jednostavno difundirati. Pri visokoj gustoći ćelija, lokalna koncentracija signalnih molekula može premašiti svoj granični nivo i izazvati promjene u ekspresiji gena.

Gram-pozitivne bakterije Gram-pozitivne bakterije koriste autoinduktorski peptidi (AIP) kao svoje autoinduktore.

Kada Gram-pozitivne bakterije detektuju visoku koncentraciju AIP-ova u svom okruženju, to se dešava vezivanjem AIP-ova za receptor kako bi aktivirale kinazu. Kinaza fosforilira transkripcijski faktor, koji reguliše transkripciju gena. Ovo se naziva dvokomponentni sistem.

Drugi mogući mehanizam je da se AIP transportuje u citosol i direktno se veže za transkripcijski faktor, kako bi pokrenuo ili inhibirao transkripciju.

Gram-negativne bakterije Gram-negativne bakterije proizvode N-acil homoserin laktone (AHL) kao svoju signalnu molekulu. Obično AHL-ovi ne zahtijevaju dodatnu obradu i direktno se vežu za transkripcijske faktore kako bi regulirali ekspresiju gena.

Neke Gram-negativne bakterije također mogu koristiti dvokomponentni sistem.

Primjeri

Aliivibrio fischeri Bioluminiscentna bakterija Aliivibrio fischeri je prvi organizam kod kojeg je uočena QS. Živi kao mutualizanski simbiont u fotoforu (ili organu koji proizvodi svjetlost) havajske bobtail lignje. Kada su ćelije A. fischeri slobodnoživeće (ili planktonske), autoinduktor je u niskoj koncentraciji i stoga ćelije ne pokazuju luminiscenciju. Međutim, kada populacija dostigne prag u fotoforu (oko ćelija/ml), inducira se transkripcija luciferaze, što dovodi do bioluminiscencije. Kod A. fischeri, bioluminiscenciju reguliraju AHL-ovi (N-acil-homoserin laktoni), koji su produkt gena LuxI čiju transkripciju regulira aktivator LuxR. LuxR djeluje samo kada se AHL-ovi vežu za LuxR.

Curvibacter sp. Curvibacter sp. je Gram-negativna zakrivljena bakterija štapićastog oblika koja je glavni kolonizator površina epitelnih ćelija rane razgranate metazoe Hydra vulgaris. Sekvenciranje kompletnog genoma otkrilo je kružni hromosom (4,37 Mb), plazmid (16,5 kb) i dva operona koji kodiraju svaki za AHL (N-acil-homoserin lakton) sintazu (curI1 i curI2) i AHL receptor (curR1 i curR2). Štaviše, studija je pokazala da ove bakterije Curvibacter povezane s domaćinom proizvode širok spektar AHL, što objašnjava prisustvo tih operona. Kao što je već spomenuto, AHL su molekule koje detektuju kvorum kod Gram-negativnih bakterija, što znači da Curvibacter ima aktivnost detekcije kvoruma.

Iako je njihova funkcija u interakciji domaćina i mikroba uglavnom nepoznata, signali kvorum-senzora Curvibacter su relevantni za interakcije domaćina i mikroba. Zaista, zbog oksidoreduktazne aktivnosti Hydra, dolazi do modifikacije AHL signalnih molekula (3-okso-homoserin lakton u 3-hidroksi-homoserin lakton) što dovodi do drugačije interakcije domaćina i mikroba. S jedne strane, dolazi do fenotipske promjene kolonizatora Curvibacter. Najvjerovatnije objašnjenje je da vezivanje 3-okso-HSL i 3-hidroksi-HSL uzrokuje različite konformacijske promjene u AHL receptorima curR1 i curR2. Kao rezultat toga, postoji drugačiji afinitet motiva vezivanja za DNK i time se aktiviraju različiti ciljni geni. S druge strane, ova promjena modificira njegovu sposobnost kolonizacije površina epitelnih ćelija Hydra vulgaris. Zaista, jedno objašnjenje je da sa 3-okso-HSL kvorum-sensing signalom dolazi do pojačane regulacije flagelskog sastavljanja. Ipak, flagelin, glavna proteinska komponenta flagela, može djelovati kao imunomodulator i aktivirati urođeni imunski odgovor kod Hydre. Stoga, bakterije imaju manje šanse da izbjegnu imunski sistem i koloniziraju tkiva domaćina. Drugo objašnjenje je da 3-hidroksi-HSL inducira metabolizam ugljika i gene za razgradnju masnih kiselina kod Hydre. Ovo omogućava bakterijskom metabolizmu da se prilagodi uslovima rasta domaćina, što je neophodno za kolonizaciju ektodermnog sloja sluzi kod Hydrae.

Enterococcus faecalis Enterococcus faecalis je oportunistička, Gram-pozitivna bakterija koja formira biofilm u staklu. Ovaj proces je također poznat kao formiranje biofilma in vitro. Prisustvo (Esp), određenog proteina na površini ćelije, pomaže formiranju biofilma sa strane E. fekalis.

Sposobnost bakterije E. faecalis da formira biofilmove doprinosi njenoj sposobnosti preživljavanja u ekstremnim okruženjima i olakšava njeno učešće u perzistentnim bakterijskim infekcijama, posebno u slučaju sojeva otpornih na više lijekova. Formiranje biofilma kod E. faecalis povezano je s oslobađanjem DNK, a takvo oslobađanje se pojavilo kao fundamentalni aspekt formiranja biofilma. Konjugativni plazmidni transfer DNK kod E. faecalis je poboljšan oslobađanjem peptida seksualnih feromona.

Escherichia coli Kod Gram-negativne bakterije Escherichia coli, ćeliska dioa može biti djelimično regulisana kvorum senzorom posredovanim AI-2. Ova vrsta koristi AI-2, koji proizvodi i obrađuje lsr-ski operon. Dio njega kodira ABC transporter, koji uvozi AI-2 u ćelije tokom rane stacionarne (latentne) faze rasta. AI-2 se zatim fosforilizira pomoću LsrK kinaza, a novoproizvedeni fosfo-AI-2 može biti ili internalizovan ili korišten za supresiju LsrR, represora lsr operona (čime se operon aktivira). Smatra se da je transkripcija operonskog lsr također inhibirana pomoću dihidroksiaceton-fosfata (DHAP) putem njegovog kompetitivnog vezivanja za LsrR. Također je pokazano da gliceraldehid 3-fosfat inhibira lsr operon, putem inhibicije posredovane cAMP-CAPK-om. Ovo objašnjava zašto, kada se uzgaja sa glukozom, E. coli gubi sposobnost internalizacije AI-2 (zbog represija katabolita). Kada se uzgaja normalno, prisustvo AI-2 je prolazno.

E. coli i Salmonella enterica ne proizvode AHL signale koji se obično nalaze kod drugih Gram-negativnih bakterija. Međutim, imaju receptor koji detektuje AHL iz drugih bakterija i mijenja njihovu gensku ekspresiju u skladu sa prisustvom drugih "kvorumskih" populacija Gram-negativnih bakterija.. AHL kvorumski sensing reguliše širok spektar gena putem gustoće ćelija. Druge vrste bakterija proizvode AHL koje Escherichia i Salmonella mogu detektovati. E. coli i Salmonella proizvode protein sličan receptoru (SdiA) koji omogućava da aminokiselinska sekvenca slična AHL pokaže da se AHL mogu naći u goveđem buragu, a E. coli reaguje na AHL izvađene iz goveđeg buraga. Većina životinja nema AHL u svom probavnom traktu.

Salmonella enterica Salmonella kodira LuxR homolog, SdiA, ali ne kodira AHL sintazu. SdiA detektuje AHL koje proizvode druge vrste bakterija, uključujući Aeromonas hydrophila, Hafnia alvei i Yersinia enterocolitica. Kada se detektuje AHL, SdiA reguliše rck operon na plazmidu virulencije Salmonella (pefI-srgD-srgA-srgB-rck-srgC) i horizontalno prisvajanje jednog gena u hromosomu srgE. Salmonella ne detektuje AHL prilikom prolaska kroz probavni trakt nekoliko životinjskih vrsta, što ukazuje na to da normalna mikrobiota ne proizvodi AHL. Međutim, SdiA se aktivira kada Salmonella prolazi kroz kornjače kolonizirane bakterijom Aeromonas hydrophila ili miševe zaražene bakterijom Yersinia enterocolitica. Stoga, čini se da Salmonella koristi SdiA za detekciju AHL produkcije drugih patogena, a ne normalne crijevne flore.

Myxococcus xanthus