QS-QQ-2017-2018

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.(?)