QUORUM SENSİNG VE QUORUM
QUENCHİNG
BAKTERİLERİNDİLİ
: QUORUM SENSING
İnsan
genomu yaklaşık olarak30.000 adet gene sahipken bu sayının 100 katı kadar daha
fazla mikroorganizma ve bunların genomlarını barındırır (1). Bu da akıllara “İnsan
sadece akıllı bir bakteri midir?” sorusunu getirmektedir.Bununla beraber
bakteri hücrelerinin hacim olarak insan vücudunda çok az yer kapladığı
düşünüldüğünde bakteriler, insan vücudunda simbiyotik yaşama sahip canlılar
olarak incelenmektedir. Bu simbiyotik
yaşamın mutual, kommensal veya parazitik olabilmesi “Bakteriler dost mu, düşman
mı?’’ sorusunu doğurmuştur. İnsanoğlu, türünü koruyabilmek için bu soruya cevap
bulmak ve yarar-zarar kontrolünü sağlamakadına çalışmalar yürütmektedir. Peki
insan vücudunu %90-99 oranla kaplayan bu mikroskobik, tek hücreli ilkel canlılarvücudumuz
üzerinde etkilerini nasıl gerçekleştirir?
Bakteriler,
toplu etkilerini quorumsensing(QS) denen bir iletişim mekanizmasıyla
gerçekleştirir. QS mekanizması; hücreninbulunduğu ortamdaki diğer hücrelerin
yoğunluğunu türe göre değişen farklı sinyal moleküllerini sentezleyerek
öğrenmesi, böylece cevap olarak gen ekspresyonunu popülasyon düzeyinde kontrol
ederek türe özgü davranışlar sergilemesi olarak tanımlanabilir (2). Terim
olarak bakıldığında quorum salt çoğunluk, sense ise hissetmek anlamlarına
gelmekte ve çoğunluğu algılama sistemi olarak bilinmektedir (3). Bu mekanizma
bize bakterilerin debirbiriyle iletişim kurduğunu göstermiş ve uzun yıllar
boyunca tek ve çok hücreli organizmalar arasındaki önemli bir fark olarak
bilinen hücreler arası iletişim konusuna yeni bir kapı açmıştır.
İlk
quorumsensing incelemeleri 1960’lı yıllarda bakteriler üzerinde yapılmıştır. Başlangıçta
sadece bakteriler için konuşulan bu mekanizmanın araştırmalar sonucu aynı türe
ait bakteriler ve farklı bakteri türleri arasında olmakla birlikte prokaryot
bir canlı ile ökaryot konağı arasında da görüldüğü tespit edilmiştir(1).
Quorumsensingmekanizması
hücre konsantrasyonunun eşik değerine ulaşmasıyla aktifleşir ve bakterinin
gerçekleştirmek için beklediği davranışa izin verir. Bu olayı mümkün kılan insanlar
arası iletişimde sözcük, mikroorganizmaların dilinde otoindükleyici olarak
bilinen küçük sinyal molekülleridir(4).Bu moleküller bakteride bulunan enzimler
tarafından üretilir ve ortama serbest bırakılır.Bakterinin hücre yüzeyindeki
bir reseptör,bu moleküllerle anahtar kilit uyumu sağlar. Molekülün miktarı
çoğalan bakteri sayısına paralel olarak artarak istenilen sayıya ulaştığında,
reseptöre kilitlenir ve böylece davranışın başlaması için sinyal verilmiş olur(1).Bazı
mikroorganizmalar farklı QS sinyal molekülünü kullanabilirken bu moleküllerinin
verdiği cevaplar da bir dildekikelimelerin farklı anlamlar taşıması gibi farklı
olmaktadır (5).
Yukarıda
bahsedildiği gibi mikroorganizma türleri kendilerine özgü farklı sinyal moleküllerinikullanır.
Bakterilerde bu mekanizma 3 şekildegörülüyor:
1-
LuxI/LuxR
sistemi (Gram negatif bakterilerde)
2-
Oligopeptit
sistemi (Grampozitif bakterilerde)
3-
Hibrit
sistemi (Gramnegatif ve gram pozitif bakterilerde ortak)
Gram
negatif bakterilerde kullanılan sistem en iyi bilinen ve anlaşılan mekanizmadır.
Bu sistem; LuxI tipi enzimlerin sentezlediği otoindükleyiciler olan N-açilhomoserinlakton(AHL)
difüzyonla ortama yayılıp popülasyon yoğunluğunun artmasıyla birikip yine
difüzyonla hücre içine alınarak LuxR proteinine bağlanmasıyla gerçekleşir. Bu
bağlanma sonucu oluşan kompleks, hedef genin transkripsiyonuna olanak
sağlayarak istenilen davranışın gerçekleşmesinde rol oynayan genleri aktive
etmekle birlikte daha fazla AHL sinyal molekülü oluşması için LuxIproteininin
üretilmesini sağlayan genleri de aktive ederek devamlılığı sağlamaktadır (6).
Gram
pozitifbakterilerin sisteminde ise iki önemli özellik vardır. Bunlardan biri
önce propeptid olarak sentezlenen, 8-9 aminoasitten oluşan kısa peptid zincirlerinin
sentezlenmesidir. Sinyal molekülü olarak görev alan bu zincirler özel enzimler
ile kesilir ve türe özgü modifikasyonlara uğratılıpATP-bindingcasette (ABC)
taşıyıcı kompleksi ile hücre dışına salınır. Diğer önemli özellik ise “iki bileşenli
algılama sistemi” olarak adlandırılan sinyal moleküllerininalgılanma mekanizmasıdır
(7).
Hibrit
sistem iseAHL sinyal moleküllerini kullanarak LuxI/LuxR sistemine, sinyal
moleküllerinin hücre zarından algılanmasıyla da oligopeptid sistemine benzeyen
ve türler arası iletişimi sağlayan her iki bakteri çeşidinde de görülen ortak
bir QS mekanizmasıdır(1).
QS
molekülleri ile bakterilerde üreme, beslenme, spor oluşturma, antibiyotiklere
karşı direnç geliştirme, biyofilm oluşumu, virülans, simbiyozis gibi birçok
davranış kontrol edilmektedir(6). Tıp alanının yanında bu mekanizma; başta
moleküler biyoloji olmak üzere biyoteknoloji, ziraat ve botanik, gıda,
veterinerlik, farmakoloji ve endüstriyel mikrobiyoloji alanlarında da araştırma
konusudur(1).
Araştırmacılar
tarafından öne sürülen önemli bir hipotez de bakterilerdeki QS sisteminin tek
hücrelilikten çok hücreliliğe geçişte atılan ilk adımlardan birisi olmasıdır (8).
Yaşamı birçok yönde doğrudan etkileyen aktivitelerin kontrolünü sağlayan bu
sistem üzerinde yapılan araştırmalarla ve sistemin moleküler düzeyde aydınlatılmasıyla
aktiviteleri gerçekleştiren ilgili organizmalara karşı daha etkili
stratejilerin geliştirilmesiamaçlanmaktadır (9).QS mekanizmasının iyi anlaşılması,canlıların florasında
yaşayan yararlı bakterilerin faydalarını pekiştirip patojen bakterilere karşı
bu mekanizmayı kullanarak önlem almamızı kolaylaştıracaktır. Bu anlamda
mikroorganizmaların sinyal odaklı iletişim mekanizmasına sahip olması olarak
tanımlanan QS, bilim dünyasında gün geçtikçe daha elzem bir çalışma alanı
haline gelmiştir.Bu çalışmaların başını yeni bir tedavi olmayı
vaadedenquorumquenching çekmektedir.
QUORUM
QUENCHING
Quorumquenching(QQ)
mikroorganizmalardaki QS mekanizmasına müdahale ederek patojeniteyi kontrol
altında tutmayı hedefler. Peki QQ mekanizması nasıl işler? QQ ile ilgili araştırmalar;
QS molekül üretiminin önlenmesi, QS molekülünün degredasyonu veya inhibisyonu
ve QS sinyal alımının önlenmesi olmak üzere temel olarak üç strateji etrafında
toplandığını göstermiştir.
QQ
çalışmalarında en bilinen yöntem QS mekanizmasının yıkıma uğramasıdır. Bu
yöntem QS molekülünün degredasyonu veya ihibisyonuylagerçekleşir (10). Prokaryotların
QS mekanizması üzerinde etkili olduğu keşfedilen ökaryotik mekanizmalar
mevcuttur. Doğada bazı bitki, mantar ve alglerin bu sistemi kullanarak
floralarında bulunan bakteri yoğunluğunu kontrol altında tuttuğu biliniyor. Deliseapulchra’nınhalojenlifuranonları
ve bunların sentetik analoglarının Serratialiquefaciens’in
QS mekanizması üzerine inhibitör etkili olduğu gösterilmiştir. İnhibisyon,
furanonların bakteriler tarafından hücre içine alındıktan sonra luxR tipi
proteinlere bağlanıp bu proteinlerin parçalanmasıyla gerçekleşir. Bu strateji
QS kontrollü virülans genlerin ekspresyonu, antibiyotik üretimi, motilite ve
biyofilmlerin güçlü ve spesifik bir şekilde inhibe edilmesini kapsar. QQ
mekanizmasında etkili olan furanonların AHL dışında tıp bilimini yakından
ilgilendiren Escherichiacoli ve Salmonella gibi enterik bakterilerin QS
mekanizmasında bulunan otoindüser 2(AI2) sinyal molekülü üzerinde de inhibe
edici etkisi gösterilmiştir (11,12). Bu çalışma bazı ökaryotik canlıların
furanon gibi sinyal molekülü(AHL) benzeri yapıların QS ihbisyonuna sebep
olduğunu göstermiştir. Bu benzer yapılara QQ mimikleri denmektedir. QQ
mimikleri dışında QS inhibisyonunu sağlayan ve hem prokaryotlar hem de
ökaryotlarda bulunan QQ enzimleri keşfedilmiştir.
Sonuç olarak birçok mikroorganizma türü
sinyal molekülleri sayesinde sosyal bir davranış sergileyebilmektedir. Sahip
oldukları QS mekanizması onların belirli bir çoğunluğa ulaştıktan sonra bunu
hissetmeleri, yeterli çoğunluğa ulaştıklarında da virülans faktörlerinin
üretimi gibi kritik gen ekspresyonlarını uyarmaktadır. Böylece konağın immün
sistemi zamanından önce uyarılmaz ve bakteri başarılı bir enfeksiyon süreci
geçirir. Bu süreci sekteye uğratabilecek QQ mekanizmaları doğada var olmakla
birlikte mekanizmanın anlaşılması sonucu bazı yapay yollar da denenmektedir.
Özellikle klinikte antibiyotiklerin akıllıca kullanılmaması sonucu artan
antibiyotik direncinin %70’lere vardığı ve QS mekanizmasının son zamanlarda
fazlasıyla üzerinde durulan mikrobiyata ile ilişkisi göz önüne alındığında bu
denemeler oldukça ümit vadetmektedir (6,13,14).
KAYNAKÇA
1.
Bassler B.
TheSecret, sociallives of bacteria:ExclusiveinterviewwithBonnieBassler 2009. 22
Mayıs 2018 https://blog.ted.com/the_secret_soci/
2.
Papenfort K,
BasslerB.L.(2016). Quorumsensingsignal-responsesystems in
Gram-negativebacteria(?)
3.
Çepni E, Gürel F.
Bitkilerden Elde Edilen Anti QuorumSensing Bileşikleri ve Yeni İlaç
Geliştirmedeki Potansiyelleri. Türk Mikrobiyal Cem Dergisi 2011;41(4):131-138
4.
Avcı, M.K., 2008.
Staphylococcusepidermidis ve Staphylococcusaureus’a ait quorumSensing Sinyal
Moleküllerinin LactococcusLactis’inNisin Üretimi Üzerine Etkisi (QuorumSensing
Cross-Talk Analizi). Y.L. Tezi.
5.
Saraçlı M.A.
“QuorumSensing” mikroorganizmalar İletişim mi kuruyor?. Gülhane Tıp Dergisi
2006;48:244-250
6.
Hamidi S. Bazı
Sentetik Kimyasal Maddelerin ve Doğal EkstraktlarınAntimikrobiyal ve
Anti-QuorumSensing Aktivitelerinin Araştırılması. Yüksek Lisans Tezi, Trabzon;
Karadeniz Teknik Üniversitesi Sağlık Bilimleri Enstitüsü, Tıbbi Mikrobiyoloji
Anabilim Dalı, 2015.
7.
LaSarre B, Federle MJ.
Exploitingquorumsensingtoconfusebacterialpathogens. MicrobiolMolBiolRev. 2013;77:73–111.
8.
Karaboz İ,
Sukatar A. Bakterilerde Sosyal Davranışlar (Bakterilerde İletişim
Mekanizmaları). Orlab On-Line Mikrobiyoloji Dergisi 2004;05:23-42
9.
Açıkgöz E.
QuorumQuenching. Elektronik Mikrobiyoloji Dergisi 2012;2:27-44
10.
Defoirdta, T.
,Boona, N. , Bossierb, P. , Verstraetea, W.(2004) Distruption of
bacterialquorumsensing: an unexploredstrategytoflightinfections in aquaculture.
Aquaculture240, 83,69-88.
11.
Hentzer, M.
,Riedel, K. , Rasmussen, T. B. , Heydorn, A. , Andersen, J. B. , Parsek, M. R.
(2002) Inhibition of quorumsensing in Pseudomonasaeruginosabiofilmbacteriaby a
halogenatedfuranonecompound. Microbiology, 198, 198-203.
12.
BauerW. D.
,Mathesius, U. , Teplitski, M. (2005) EukaryotesDealwithBacterialQuorumSensing.
ASM News, 131 , 129-135.
13.
Vogt S.L,Peña-DíazJ,Finlay B.B. Chemicalcommunication in the gut: Effects of
microbiota-generatedmetabolites on gastrointestinalbacterialpathogens.Anaerobe2015;34:106-115
14.
Fong J, Zhang C, Yang R, Boo ZZ, Tan SK, et al.(2018). Combination TherapyStrategy of
QuorumQuenchingEnzymeandQuorumSensingInhibitor in
SuppressingMultipleQuorumSensingPathways of P. aeruginosa.(?)