En biologia, el quorum quenching (QQ) és el procés de desactivació dels sistemes d'estímuls i respostes correlacionats amb la densitat de població de bacteris, o quorum sensing (QS).
Relació entre quorum sensing i quorum quenching Malgrat tractar-se d'organismes unicel·lulars –i, per tant, no diferenciats– i haver estat considerats no cooperatius, els bacteris disposen de sofisticats mecanismes que els permeten detectar i respondre a determinades condicions ambientals (canvis de temperatura, disponibilitat de nutrients, oxigen, pressió i pH). A més a més, recentment ha estat comprovat que els bacteris també són capaços de produir i respondre a senyals extracel·lulars produïts per altres bacteris, la qual cosa els permet comunicar-se entre ells i donar una resposta col·lectiva als canvis en el medi. Fuqua W. C., Winans S. C., Greenberg E. P. Quorum sensing in bacteria: the LuxR–LuxI family of cell density-responsive transcriptional regulators. 1994 J Bacteriol, 176:269–275. Aquest tipus de comunicació és el que es coneix com a quorum sensing (QS) i té un paper molt important en la sincronització de l'expressió gènica i la coordinació funcional entre comunitats bacterianes. Aquests bacteris alliberen, detecten i responen a l'acumulació de petites molècules de senyalització química, la majoria de les quals estan involucrades en la regulació de factors de virulència. D'entre aquests senyals de QS, les AHLs (N-acilhomoserin lactones) són una de les famílies de senyals de comunicació entre cèl·lules més ben caracteritzades i són pròpies de bacteris gramnegatius. Cal destacar, però, que el fenomen del quorum sensing no només es limita al regne bacteri, sinó que alguns eucariotes unicel·lulars com ara alguns fongs patògens també són capaços d'utilitzar senyals QS per coordinar funcions biològiques.Dong Y., Zhang L. Quorum Sensing and Quorum-Quenching Enzymes. 2005 The Journal of Microbiology, 43:101-109.
Donat que diverses espècies bacterianes utilitzen el quorum sensing per augmentar els seus avantatges competitius (producció d'antibiòtics, mobilitat, formació d'espores, conjugació sexual, etc.), és racional que els competidors també puguin tenir desenvolupats certs mecanismes per desarmar el sistema QS i guanyar l'avantatge de competència. Així, mentre alguns bacteris s'estan comunicant amb cèl·lules veïnes, uns altres es dediquen a interrompre aquesta comunicació, tot creant una carrera armamentista constant entre la comunicació intercel·lular.Kalia V. C., Purohit H. J. Quenching the quorum sensing system: potential antibacterial drug targets. 2011 Critical Reviews in Microbiology,37(2):121–140. Aquests mecanismes d'inactivació del quorum sensing reben el nom de quorum quenching (QQ) i consisteixen en la inactivació de senyals QS, generalment mitjançant la producció d'enzim específics. D'aquesta manera, el que s'aconsegueix és atenuar l'expressió dels factors de virulència de determinades espècies bacterianes sense reduir-ne el seu creixement. Atès que els hostes eucariotes es troben freqüentment amb microbis patògens, no resulta sorprenent que aquests organismes superiors també hagin desenvolupat mecanismes de quorum quenching. miniatura|upright=2|Model esquemàtic de quorum sensing i quorum quenching.
Mecanismes Els mecanismes de QQ operen mitjançant el bloqueig dels diferents passos implicats en el QS. A baixa densitat de població, la inhibició de la generació i l'acumulació de senyals i es produeix mitjançant el bloqueig de la síntesi de la molècula senyal. A altes densitats de població, els mecanismes de QQ consisteixen en la inactivació del receptor del senyal de QS mitjançant molècules antagòniques o la degradació del senyal mitjançant enzims.
Enzims implicats en el QQ. Degradació d'AHLs La degradació enzimàtica dels senyals acil-homoserín lactones (AHLs) és una de les estratègies utilitzades per inhibir el QS i actualment és la més coneguda.
Els senyals AHL són molècules basades en un anell lactona (HSL) al que hi ha unit un àcid gras. Aquest àcid gras constitueix la cadena lateral i proporciona variabilitat a la molècula, ja que pot variar en la seva longitud o en els seus substituents. Aquesta estructura comporta que la degradació es pugui produir de 4 maneres diferents, a partir de 4 reaccions. Dues d'aquestes reaccions comportarien el trencament de l'anell de lactona i serien provocades per una lactonasa o una descarboxilasa. Les altres dues separarien l'àcid gras de l'anell HSL mitjançant l'acció d'una acilasa (amidasa) o una deaminasa. Fins ara, només dos d'aquests enzims han sigut identificats: la lactonasa i l'acilasa.
A més a més d'aquests enzims, s'han trobat dos grups més d'enzims que podrien servir per bloquejar els senyals del QS: El primer d'aquests grups actua contra la lactona. Aquest grup d'enzims amb activitat lactonasa està format per enzims PONs o paraoxonases. El segon grup no destrueix els senyals AHL, com sí que fan els altres, sinó que les modifica. Aquests enzims s'anomenen oxidoreductases.
De la majoria d'aquests enzims es coneix la seva estructura i que provoquen, però el procés de catàlisi que porten a terme encara no és clar, tot i que hi ha diversos models al respecte.
Lactonases El primer enzim que es va trobar del grup de les lactonases que intervenen en el QQ (EC 3.1.1.81) va ser l'enzim AiiA.
L'enzim AiiA va ser purificat per primera vegada d'un bacteri grampositiu del gènere Bacillus i va ser posteriorment classificat com un enzim hidrolitzador d'AHL.Kar-Wai Hong, Chong-Lek Koh, Choon-Kook Sam, Wai-Fong Yin and Kok-Gan Chan. Quorum Quenching Revisited — From Signal Decays to Signalling Confusion. 10 April 2012 Sensors, 12:4661-4696.
L'AiiA (AHL-lactonasa) és un enzim metàl·lic que té una longitud de 252 aminoàcids i que conté dos ions zinc (Zn2+) en el centre actiu. Aquests ions metàl·lics són essencials pel trencament de l'enllaç éster de l'anell de lactona i el correcte plegament de l'enzim. http://www.rcsb.org La histidina que es troba enllaçada als ions o els residus d'aspartat i Tyr-194 demostren la seva activitat catalítica.
Forma part d'una superfamília anomenada metalo-β-lactamasa. Aquesta superfamília està composta per un gran nombre de proteïnes sense metalls, amb un ió zinc o amb dos ions zinc o ferro.Kim, M.H., Choi, W.C., Kang, H.O., Lee, J.S., Kang, B.S., Kim, K.J., Derewenda, Z.S., Oh, T.K., Lee, C.H., Lee, J.K. The molecular structure and catalytic mechanism of a quorum-quenching N-acyl-L-homoserine lactone hydrolase. 2005 Proc.Natl.Acad.Sci.USA 102: 17606
Posteriorment s'han anat trobant altres enzims semblants a l'AiiA que realitzen les mateixes accions però que són sintetitzats en altres bacteris. El primer d'aquests va ser l'AttM, trobat als Agrobacterium. Recentment, han sigut identificats altres enzims d'aquest grup. Això ha permès estendre la diversitat de les proteïnes de la família de les lactonases. La gran majoria d'aquests enzims són dependents del Zn2+ o altres metalls i van ser trobats en bacteris del gènere Bacillus, Agrobacterium, Rhodococcus o Klebsiella entre d'altres.
Tots tenen com a funció catalitzar la següent reacció:
En aquesta reacció d'hidròlisi l'aigua reacciona amb l'AHL trencant l'enllaç éster de l'anell de lactona. Això succeeix perquè l'aigua ataca aquest enllaç originant un grup hidroxil i un carboxil. L'activitat de l'AiiA no es veu afectada per diferències en la llargada o substitució de la cadena àcida dels AHLs, però altres enzims si que actuen únicament en molècules amb una cadena específica.
500px|miniatura|center|Reacció lactonasa
Acilases (amidases) El primer enzim d'aquest grup va ser trobat en un bacteri gramnegatiu, el Variovorax paradoxus, el qual mostrava una àmplia capacitat de degradació de les molècules AHL. Els gens que codifiquen aquest enzim, però, encara no s'han trobat.
A partir d'aquest enzim s'han trobat altres que catalitzen la mateixa reacció. Els que es coneixen bé són:
AiiD: Aquest enzim va ser trobat en el bacteri Ralstonia sp. XJ12B. És un polipèptid de 794 aminoàcids que forma part de la superfamília de les Ntn-hidrolases (nucleofil N-terminal). Aquest enzim actua sobre molècules d'AHL amb la l'àcid gras llarg o curt de la mateixa manera.Fang Chen, Yuxin Gao, Xiaoyi Chen, Zhimin Yu and Xianzhen Li. Quorum Quenching Enzymes and Their Application in Degrading Signal Molecules to Block Quorum Sensing-Dependent Infection. 2013 International Journal of Molecular Sciences 14:17477-17500
PvdQ (EC 3.5.1.97): Poc després del descobriment de l'AiiD es va trobar aquest enzim en el bacteri P. aeruginosa. Aquest enzim és molt similar a l'AiiD i forma part de la mateixa superfamília que aquest.
QuiP: Va ser descobert en el mateix bacteri que el PvdQ l'any 2006. Aquest enzim és idèntic en un 21% al PvdQ i en un 23% a l'AiiD. Forma part també de la superfamília de les Ntn hidrolases. Es creu que està format per 4 pèptids: una seqüència senyal, dues subunitats (α i β) i un cadena que els separa. Té preferència per la degradació d'AHLs amb cadenes llargues (més de sis carbonis) i no degrada molècules amb cadenes curtes.
A més a més d'aquests enzims s'han trobat altres que formen part de la mateixa superfamília, alguns dels que no se sap pràcticament res i un que va ser aïllat del ronyó de porc i que actua únicament sobre molècules d'AHL amb cadenes de 4 o 8 carbonis.
Tots aquests enzims catalitzen la següent reacció:
Les AHL-acilasa hidrolitzen irreversiblement l'enllaç amida entre la cadena acil i l'anell lactona de les molècules d'AHL. Aquest procés separa l'anell lactona i l'àcid gras corresponent, els quals no mostren cap activitat residual de senyalització un cop separats.
500px|miniatura|center|Reacció acilasa
Paraoxonases Les paraoxonases (PONs) (EC 3.1.1.81) (EC 3.1.8.1) (EC 3.1.1.2) són enzims que es troben en els mamífers i que catalitzen la hidròlisi i la destrucció d'ésters, lactones o organofosfats. Se situen en el mateix grup que les lactonases, ja que en el procés de QQ catalitzen la mateixa reacció, la destrucció dels anells de lactona. Els que tenen rellevància pel procés de QQ són el PON1, PON2 i PON3.
Els tres enzims són molt semblants pel que a la seva estructura. En els humans es troben codificats un al costat de l'altre en el braç llarg del cromosoma 7q21.3-22.1.Primo-Parmo, S.L.; Sorenson, R.C.; Teiber, J.; La Du, B.N. The human serum paraoxonase/arylesterase gene (PON1) is one member of a multigene family. Genomics 1996, 33, 498–507.
Els PONs depenen del calci i la seva activitat pot ser inhibida per lEDTA.
Els PONs tenen molta importància pel que fa al metabolisme dels lípids i la detoxificació dels organofosfats. També es creu que tenen un paper molt important en la defensa contra les infeccions bacterianes, ja que són capaços de degradar les AHLs i inactivar el QS.Draganov, D.I.; Teiber, J.F.; Speelman, A.; Osawa, Y.; Sunahara, R.; La Du, B.N. Human paraoxonases (PON1, PON2, and PON3) are lactonases with overlapping and distinct substrate specificities. J. Lipid Res. 2005, 46, 1239–1247.
Oxidoreductases Hi ha pocs enzims identificats d'aquest grup.
La seva característica principal és el fet que no destrueixen les molècules d'AHL, sinó que modifiquen la seva estructura. Això provoca que les molècules modificades segueixin sent funcionals però que no siguin reconegudes correctament, ja que aquestes modificacions afecten a l'especificitat i al reconeixement del senyal del l'AHL, perturbant així l'activació del QS regulat per AHL particulars.Dong, Y.H.; Xu, J.L.; Li, X.Z.; Zhang, L.H. AiiA, an enzyme that inactivates the acylhomoserine lactone quorum-sensing signal and attenuates the virulence of Erwinia carotovora. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2000, 97, 3526–3531.