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7.21C: Detección de quórum - Biología

7.21C: Detección de quórum - Biología



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

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

Explicar el mecanismo de detección de quórum en bacterias.

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 en función de la densidad local de la población bacteriana.
  • Las bacterias que utilizan la detección de quórum producen y secretan de forma constitutiva ciertas moléculas de señalización (llamadas autoinductores o feromonas).

Términos clave

  • la detección de quórum: La detección de quórum es un sistema de estímulo y respuesta correlacionado con la densidad de población. 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: Una 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 de población. 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 usan la detección de quórum para determinar dónde anidar. Además de su función en los sistemas biológicos, la detección de quórum tiene varias aplicaciones útiles para la informática y la robótica.

La detección de quórum puede funcionar como un proceso de toma de decisiones en cualquier sistema descentralizado, siempre que 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 un número umbral de componentes es detectado.

La detección de quórum se puede lograr degradando la molécula de señalización. Usando un medio KG, las bacterias de extinción de quórum se pueden aislar fácilmente de varios entornos, incluido el que anteriormente se consideraba no cultivable. Recientemente, se ha aislado una bacteria de extinción de quórum bien estudiada y se ha estudiado su cinética de degradación de AHL mediante el uso de 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 en función de 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 gran cantidad de procesos diferentes, en esencia, sirviendo como una simple red de comunicación. Se pueden usar una variedad de moléculas diferentes 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 autoinductores-2 (AI-2) tanto en Gram-negativos como en Gram- bacterias positivas.

Las bacterias que utilizan la detección de quórum producen y secretan de forma constitutiva ciertas moléculas de señalización (llamadas autoinductores 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, incluidos los de la síntesis del inductor. Existe una baja probabilidad de que una bacteria detecte su propio inductor secretado. Por lo tanto, para que se active la transcripción de genes, la célula debe encontrar moléculas de señalización secretadas por otras células en su entorno. Cuando solo hay unas pocas bacterias del mismo tipo 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 crece la población, la concentración del inductor pasa un umbral, lo que hace que se sintetice más inductor. Esto forma un circuito de retroalimentación positiva y el receptor se activa por completo. La activación del receptor induce la regulación positiva de otros genes específicos, lo que hace 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 Vibriofischeri no sería visible si fuera producido por una sola célula. Al utilizar la detección de quórum para limitar la producción de luciferasa a situaciones en las que las poblaciones de células son grandes, las células de V. fischeri pueden evitar el desperdicio de energía en la producción de productos inútiles.

Las estructuras tridimensionales de 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) unido a él. Muchas especies bacterianas, incluida la E. coli, una bacteria entérica y organismo modelo para las bacterias gramnegativas, 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 las bacterias, mientras que la proteína de unión periplásmica LuxP está presente solo en las cepas de Vibrio", lo que lleva a la conclusión de que “otros 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 tal sistema de detección de quórum en absoluto. ”Ciertas bacterias pueden producir enzimas llamadas lactonasas que pueden atacar e inactivar las AHL.