Sistemul de comunicare intercelulară în microorganisme se numește sistem cvorum sensing (QS ). Astăzi, sistemul QS este definit ca un sistem de expresie a genelor coordonate într-o populație, în funcție de indicele de densitate al acesteia, folosind molecule de semnalizare mici. După cum sa menționat mai sus, acest mecanism a fost descris pentru prima dată în 1970 de către Nilson într-o bacterie marine Vibrio fisheri ca sistem de reglare a bioluminiscenței. Inițial, sa presupus că acest mecanism de reglare este caracteristic doar unui număr mic de specii strâns înrudite ale genului. Vibrio, cu toate acestea, studii ulterioare au arătat prevalența pe scară largă a acestui mecanism de reglare în lumea microorganismelor. S-a descoperit că, cu ajutorul sistemului QS, microorganismele sunt capabile să regleze multe procese de viață, în special patogenitatea, metabolismul secundar, formarea de biofilm și multe altele. S-a demonstrat că sistemul QS se găsește nu numai în bacterii, ci și în unele eucariote inferioare, cum ar fi ciupercile asemănătoare drojdiei din genuri. CandidaȘi Criptococul. Mai mult, s-a dovedit că, cu ajutorul acestui sistem, microorganismele sunt capabile să interacționeze nu numai cu propria lor specie, ci și să realizeze o comunicare interregională, inclusiv cu eucariotele superioare.

În general, funcționarea sistemului QS se bazează pe o serie de principii cheie (Fig. 11):

1. Utilizarea moleculelor de semnalizare mici - în sistemul QS, transmiterea semnalului de la o celulă la alta se realizează folosind molecule de semnalizare de natură chimică variată.

2. Prezența receptorilor specifici - moleculele de semnalizare nu afectează direct expresia genelor țintă. Activarea genelor țintă are loc numai după legarea moleculelor de semnalizare la receptorii corespunzători.

3. Influența densității populației celulare - sistemul QS este lansat numai după atingerea unei anumite valori a densității populației celulare, care se corelează cu concentrația moleculelor de semnalizare din mediu.

4. Autoîntreținerea funcționării - controlul sintezei de noi molecule de semnalizare și receptori se realizează în același mod ca și pentru genele țintă în absența activării sistemelor de represiune.

5. Prezența mecanismelor de reglare negativă selectivă - în celulele microorganismelor sunt atât dependente, cât și independente de gene QS de reglare negativă, ale căror produse sunt capabile să dezactiveze în mod selectiv legăturile întregi ale sistemului QS sau întregul sistem ca un întreg.

Orez. 11. Schema generală de funcționare a sistemului de detectare a cvorumului.

Aceste principii sunt comune pentru aproape toate tipurile de sisteme QS, indiferent de organizarea lor structurală specifică. Începutul sistemului QS coincide de obicei cu stadiul incipient al creșterii exponențiale, care se caracterizează printr-o creștere rapidă a densității populației celulare. Exprimarea genelor țintă, dimpotrivă, începe de obicei cu ieșirea populației celulare în faza staționară și este de obicei complexă, adică implică începutul biosintezei aproape tuturor produselor reglementate de QS într-o perioadă scurtă de timp. timp. Astfel, etapele incipiente ale sistemului QS sunt de a asigura biosinteza moleculelor de semnalizare și a receptorilor acestora, până la un anumit punct, care coincide cu acumularea. concentrație maximă molecule semnal din spațiul intercelular, la atingerea cărora activitatea sistemului QS intră într-o stare de auto-susținere.

Mecanismele care stau la baza activării timpurii a sistemului QS nu au fost încă pe deplin elucidate. În ciuda faptului că au fost descoperite un număr mare de reglementatori diferiți, care sunt atribuite unui anumit rol în activarea timpurie a sistemului, multe întrebări rămân nerezolvate. În primul rând, nu este clar cum este reglată acumularea primară a moleculelor de semnalizare și a receptorilor acestora. Există o ipoteză că un anumit număr de molecule de semnalizare și receptori pentru ei sunt prezenți în mod constant în celule, iar acumularea lor primară are loc conform aceluiași mecanism de auto-susținere, în timp ce o parte din rezervorul intracelular al acestor compuși este cheltuită pentru sinteza de molecule de semnalizare și receptori. Restul este excretat din celule și, la atingerea concentrației de prag, este reabsorbit și declanșează expresia genelor țintă. Cu toate acestea, pe baza caracteristicilor funcționării unor tipuri de sisteme QS, acest lucru pare puțin probabil. James P. Pearson, dimpotrivă, consideră că lansarea inițială a QS este realizată cu ajutorul unor regulatori de transcripție nespecifici, cum ar fi MvaT Și Vfr (V irulenta f actori r regulator) Pseudomonas aeruginosa, iar sistemul intră într-o stare de auto-susținere mult mai târziu.

„Antibiotice și chimioterapie”, 2003, 48 (10): 32-39.

Articol postat cu permisiunea Olga Efremenkova
Vladimirovna, șef sectorul de căutare compuși naturali
Institutul de Cercetare pentru descoperirea de noi antibiotice. G.F. Gause RAMS

Semnale comunicative ale bacteriilor

V.D. georgian

Institutul de Cercetare pentru Descoperirea Noilor Antibiotice. G. F. Gause RAMS, Moscova

V.D. Georgia. Semnale comunicative bacteriene

G.F. Institutul Gause de Noi Antibiotice, Academia Rusă de Științe Medicale, Moscova

În prezent, există o tranziție de la ideea tradițională a bacteriilor ca organisme strict unicelulare la ideea comunităților microbiene ca structuri integrale care își reglează răspunsurile comportamentale în funcție de schimbările condițiilor de mediu.

Coloniile de aproape toate tipurile de bacterii demonstrează capacitatea de diferențiere celulară și organizare multicelulară. Această capacitate este cea mai evidentă atunci când bacteriile cresc în habitatele lor naturale, unde formează diverse structuri multicelulare: biofilme, covorașe bacteriene, corpuri fructifere etc.

Conceptul de cvorum Sensing a fost introdus în 1994. Înseamnă percepția de către celule a schimbărilor din mediu care apar atunci când o cultură bacteriană atinge un anumit număr prag și reacția la aceste modificări.

Procesele descrise care apar numai la o densitate suficient de mare a populației includ următoarele fenomene:

• bioluminiscența în bacteriile marine Vibrio fisheriȘi V.harveyi;
• agregarea celulelor mixobacterii și formarea ulterioară a corpilor fructiferi cu spori;
• sporularea în bacili și actinomicete;
• stimularea creșterii streptococilor și a unui număr de alte microorganisme;
• conjugarea cu transfer de plasmide Enterococcus faecalisși specii înrudite, precum și bacterii din gen Agrobacterium;
• sinteza exoenzimelor și a altor factori de virulență în agenții patogeni ai plantelor ( Erwinia carotovora, E.hyacinthii etc.) și animale ( Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus);
• formarea de antibiotice la membrii genului Streptomyces iar la E. carotovora;
• formarea biofilmului în R. aeruginosași alte microorganisme.

Sunt dezvăluite mecanismele multora dintre aceste procese, sunt determinați factorii de comunicare intercelulară responsabili pentru procese în funcție de densitatea populației.

O problemă serioasă în practica clinică este apariția pe scară largă a formelor rezistente de microorganisme, ceea ce reduce eficacitatea utilizării medicamentelor antibacteriene. O dificultate deosebită este rezistența crescută la medicamente a bacteriilor din biofilme. Bacteriile folosesc adesea reacții de detecție a cvorumului pentru a sintetiza factori de virulență, antibiotice și pentru a forma biofilme. Prin urmare, studiul mecanismelor unor astfel de reacții deschide noi oportunități pentru prevenirea și tratarea bolilor cauzate de agenți microbieni și, de asemenea, permite o privire diferită asupra complexului complex de interacțiuni bacteriene interspecifice în habitatele naturale ale microorganismelor.

Mecanismele reacțiilor de detecție a cvorumului diferă în funcție de bacteriile Gram-pozitive și Gram-negative, așa că este recomandabil să le luați în considerare separat.

Reacții de detecție a cvorumului la microorganismele Gram-pozitive

Bacteriile Gram-pozitive comunică de obicei folosind molecule de semnalizare oligopeptide. Semnalizarea în majoritatea cazurilor implică un mecanism de fosforilare cu două componente. De regulă, starea de cvorum este atinsă atunci când populația de celule bacteriene intră în faza staționară de creștere. În acest moment sunt detectate moleculele semnal, cu ajutorul cărora celulele se contactează între ele. Schema generală de comunicare a bacteriilor gram-pozitive poate fi reprezentată astfel: în primul rând, în celulă este sintetizat un precursor care, fiind modificat, se transformă într-o oligopeptidă matură. Acesta din urmă este excretat în afara celulei de către exportator. Moleculele de oligopeptide se acumulează în spațiul intercelular pe măsură ce densitatea celulelor bacteriene crește. O kinază senzorială cu două componente care se întinde pe membrană recunoaște semnalul și îl transmite în celulă printr-o cascadă de fosforilare. În celulă, molecula de oligopeptidă interacționează cu gena (genele) țintă.

Sistemul clasic dependent de cvorum de peptide poate fi considerat sistemul responsabil pentru transferul conjugativ al plasmidelor în Enterococcus faecalisși speciile bacteriene înrudite. Acest sistem stimulează distribuirea în populația microbiană a trăsăturilor importante pentru interacțiunea dintre microorganism și animalul gazdă, precum și pentru eliminarea competiției. Plasmida pPDl purtată de sistemul dependent de cvorum este responsabilă de sinteza hemolizinelor, plasmida pCDl este responsabilă de formarea bacteriocinei, plasmida pCFlO este responsabilă de rezistență. E.faecalis la tetraciclină. Fiecare hexa- sau octa-peptidă induce aderența celulelor bacteriene și conjugarea lor cu transferul de la donor la primitor al unei plasmide specifice. De exemplu, octapeptida cPDl stimulează transferul conjugativ al plasmidei pPDl. Plasmida codifică un receptor situat pe proteina represoare a operonului corespunzător. Interacțiunea oligopeptidei cu receptorul determină disocierea represorului de ADN, declanșând astfel sinteza produsului corespunzător. Plasmida pPDl include, de asemenea, gena traC, al cărei produs este o proteină care facilitează pătrunderea peptidei prin peretele celular. Semnalele oligopeptidice sunt sintetizate intens de celulele care nu poartă plasmidele corespunzătoare (recipienți), în timp ce sinteza unor astfel de semnale este suprimată în celulele donatoare; în plus, plasmida codifică o peptidă inhibitoare.

Produsul plasmidei pPDl este peptida iPDl, HHaKTHBHpyiounmcPDl.

Un alt proces dependent de cvorum găsit în E.faecalis, este producerea a doi factori de virulență: gelatinaza (GelE) și serin proteaza (SprE).

Un exemplu de utilizare a unui semnal peptidic pentru interacțiunile intercelulare este sistemul de detectare a cvorumului, care controlează sinteza exotoxinelor în faza logaritmică târzie a creșterii în Staphylococcus aureus. În acest sistem, proteina AgrD este sintetizată ca un precursor constând din 46 de aminoacizi, care, în timpul exportului de către proteina AgrB, este transformat în AIP matur (peptidă autoinducătoare) constând din 8 aminoacizi. AIP este recunoscut de senzorul kinaza AgrC cu două componente, care transmite un semnal în celulă în timpul fosforilării regulatorului de răspuns, AgrA. AgrA~P activează transcripția genelor țintă, stimulează transcrierea operonului agrB, D, C, A (bucla de autoreglare pozitivă) și, de asemenea, „interzice” transcrierea genelor care codifică alte exotoxine. Pe baza diferențelor dintre AIP și receptorul său, tulpini S. aureus poate fi repartizat în patru sau mai multe grupuri. Oligopeptidele sintetizate de una dintre grupuri induc patogenitatea în acest grup și suprimă în mod specific sistemele de virulență Agr în alte grupuri.

Apariția competenței în faza logaritmică târzie a creșterii depinde de densitatea populației. Streptococcus pneumoniae. Gena comC codifică un precursor format din 41 de resturi de aminoacizi. Acesta din urmă este transformat într-o peptidă matură constând din 17 resturi de aminoacizi în procesul de interacțiune cu sistemul de export de peptide (sistemul ABC), care este format din produsele genelor comAB. Peptida contactează receptorul său de pe suprafața celulei, histidin kinaza, un produs al genei comD. Histidin kinaza activată fosforilează produsul genei comE. Pe măsură ce celulele se acumulează, numărul de semnale peptidice crește și atinge un nivel critic în mediu. În consecință, crește și cantitatea de proteină comE fosforilată, care, pornind de la o anumită concentrație, se leagă de promotorul operonului comCDE, stimulând activitatea acestuia (bucla de autoreglare pozitivă), activează promotorul operonului comAB (sistemul de export de proteine ​​din celulă) , activează operonul comX, care include întregul lanț de gene de competență tardivă; responsabil pentru legarea și absorbția ADN-ului în transformare și a tuturor celorlalte etape târzii ale transformării.

Pe lângă exemplele de mai sus de reacții de detecție a cvorumului la bacteriile gram-pozitive, trebuie remarcat faptul că, pe lângă oligopeptide, bacteriile gram-pozitive folosesc și substanțe de natură chimică diferită ca molecule de semnalizare. Deci, reprezentanții ordinului Actinomicetale Alături de moleculele semnal peptidice, s-au găsit substanțe cu natură moleculară scăzută, dintre care majoritatea conțin o grupă lactonă.

În streptomicete, sistemele de detectare a cvorumului implică butirolactone și receptorii proteici corespunzători acestora, care împreună reglează dezvoltarea morfologică și producția de antibiotice la producătorii lor. Cel mai bine studiat regulator de actinomicet este factorul A, care este 2-izo-capryloil-3-hidroximetil-y-butirolactona.

Influența factorului A asupra diferențierii morfologice și formării antibioticelor este supusă schemei generale de funcționare a regulatorilor de streptomicete care conțin o grupă lactonă. În stadiile incipiente ale creșterii, când concentrația factorului A este scăzută, receptorul factorului A (AgrA) se leagă și reprimă expresia unui activator comun ipotetic al biosintezei și sporulării streptomicinei. Izolarea AgrA din lizatul celular S. griseus IFO 13350 s-a dovedit a fi o proteină de 276 de aminoacizi cu o greutate moleculară de 29,1 kDa.

Pe măsură ce densitatea culturii crește, concentrația factorului A atinge un nivel critic la care se leagă AgrA, determinând disocierea acestuia din urmă de ADN și activând astfel transcrierea genei cheie adpA care codifică AdpA (o proteină de 405 aminoacizi care conține o legare). situs în regiunea centrală).cu ADN, similar cu regulatorii de transcripție din familia de proteine ​​AraC/XylS). AdpA, la rândul său, este un regulator pozitiv al activatorului citoplasmatic detectat al grupului de gene de biosinteză a streptomicinei și activatori ai procesului de sporulare. Activatorul citoplasmatic, care se leagă de ADN în regiunea promotorului genei pentru reglarea specifică a clusterului de biosinteză a streptomicinei strR, induce transcripția acestei gene, gena de rezistență la propriul antibiotic, aphD, care se află după aceasta, gena adsA, care codifică factorul a extracitoplasmatic al ARN polimerazei, care este necesar pentru formarea miceliului aerian, precum și gena sgmA care codifică o proteină peptidază, care, împreună cu alte enzime hidrolitice, este implicată în degradarea proteinele miceliului substrat ca urmare a formării miceliului aerian. Produsul reglator al genei strR determină începutul transcripției genelor de biosinteză structurală ca parte a unui grup de promotori dependenți de StrR. Începutul exprimării din promotorul genei strR sub influența unui activator citoplasmatic asigură, de asemenea, producerea produsului genei aphD, aminoglicozid fosfotransferaza, și astfel crearea unui nivel de bază de rezistență la tulpină la propriul antibiotic.

Se arată că tipuri diferite streptomicetele au observat omologie între elementele structurale ale regulatorilor. Secvențe de nucleotide omoloage genei agrA în S. griseus, se găsesc și în alte streptomicete. De exemplu, la S.coelicolor A3 (2), au fost găsite două gene srA și srB, care codifică proteinele asemănătoare AgrA CrA și CrB, care sunt 90,7% similare între ele și 35% cu AgrA.

Reacții de detecție a cvorumului la microorganismele Gram-negative

La peste 450 de specii de bacterii gram-negative, au fost găsite sisteme dependente de cvorum, în care diferite lactone acilhomoserin servesc ca molecule de semnalizare. Schema generală de comunicare în bacteriile Gram-negative poate fi reprezentată astfel: în sistemul cvorum-sensing al bacteriilor Gram-negative, proteinele familiei Luxl sunt sintaze autoinductoare și catalizează formarea unor molecule autoinductoare specifice de acil homoserină lactonă. Autoinductorii difuzează liber prin membrană și se acumulează pe măsură ce densitatea celulară crește. Proteinele din familia LuxR se leagă de autoinductorii lor înrudiți atunci când se atinge o concentrație suficient de mare de molecule de semnalizare. Complexul LuxR, un autoinductor, se leagă de promotorul genelor țintă, începând transcripția acestora.

Bacteriile din gen Erwinia (E. carotovora, E. crizantemii) sunt agenți patogeni ai plantelor. Ele descompun pereții celulari ai plantelor cu ajutorul pectinazelor și celulazelor. Formarea acestor enzime este un factor important virulență și depinde de densitatea populației. La Erwinia sistemul genei expI-expR funcționează, similar cu sistemul luxI-luxR în V.fisheri. Reacțiile de detectare a cvorumului implică, de asemenea, sistemul de reglementare furnizat de transcripția genelor rsmA-rsmB. Din densitatea populației E. carotovora depinde si de sinteza antibioticului carbapenem. Producția acestui antibiotic este sub controlul grupului de gene carA-carH și poate fi necesară pentru a elimina microorganismele concurente la locusul infecției plantei.

Este prezentat un alt exemplu de utilizare a lactonelor homoserine ca molecule de semnalizare Pseudomonas aeruginosa- un agent patogen pentru animale. Patogenitatea în R. aeruginosa datorită unui arsenal larg de factori de virulenţă. Unele dintre ele sunt asociate cu celula (pili, adezine, lipopolizaharide), altele sunt secretate (proteaze, ramnolipide, exoenzima S, exotoxina A, antibiotic piocianina etc.). Formarea multor factori de virulență extracelulară este controlată de sisteme de interacțiune intercelulară. Componentele centrale ale unor astfel de interacțiuni sunt sistemele de detectare a cvorumului las și rhl, care activează expresia genelor în funcție de densitatea celulară a microorganismului. Fiecare sistem este reprezentat de două gene: una codifică o enzimă care sintetizează un autoinductor specific - lactona homoserina acilată (lasl/rhll); celălalt codifică un activator de transcripție la care se leagă autoinductorul corespunzător (lasR/rhIR). Autoinductorul sistemelor las și rhi este N-(3-oxododecanoil)-L-homoserin lactona (3-oxo-C12-HSL), care este exportată din celulă printr-un sistem special numit MexEF-OprN-pompa și N- butiril-L-homoserină lactonă (C4-HSL), respectiv.

Sistemul las controlează expresia genelor care codifică factori de virulență precum elastaza A, B și proteaza alcalină; sistemul rhi - enzime pentru biosinteza ramnolipidelor, piocianina. Recent, a fost descoperită o a treia moleculă de semnalizare care este implicată în reacțiile de detectare a cvorumului în P.aeruginosa- 2-heptil-3-hidroxi-4-chinolonă (PQS). Această moleculă de semnalizare poate controla nivelul de exprimare al las B, care codifică elastaza Las B, precum și nivelul de expresie al rhil, care codifică C4-HSL sintetaza.

Bacterie Agrobacterium tumefaciens determină formarea fierelor coroanei la multe specii de plante. Galile sunt un analog vegetal al unei tumori maligne și se formează ca urmare a transferului fragmentelor de ADN oncogen de la o bacterie în nucleul unei celule vegetale prin intermediul plasmidelor Ti. Unele dintre genele Ti-plasmidelor determină sinteza opinelor de către celulele vegetale, care servesc ca substrat nutritiv pentru A.tumefaciens. Sistemul de gene omoloage luxI-luxR traI-traR stimulează răspândirea plasmidelor Ti în populația bacteriană. ADN-ul plasmidic tinde să prolifereze în populația bacteriană și, odată ce este creat un „cvorum” suficient, induce celulele purtătoare de plasmide să se conjugă cu alte celule bacteriene. În același timp, transferul conjugativ al plasmidelor Ti depinde de opinie. În special, transcripția traR este stimulată de factorul OccR activat de octopină.

Sensarea cvorumului în formațiunile multicelulare

Capacitatea bacteriilor de a forma biofilme este interesantă având în vedere faptul că reprezentanții agenților patogeni patogeni pentru oameni și animale manifestă rezistență la acțiunea substanțelor antimicrobiene atunci când cresc în biofilme. Biofilmele sunt comunități bacteriene foarte ordonate care permit bacteriilor să trăiască într-o stare atașată. Biofilmele pot fi compuse din unul sau mai multe tipuri de bacterii. Sunt străbătute de o rețea de canale de apă care asigură livrarea nutrienți membrii comunității și eliminarea produselor metabolice. În cadrul unui singur biofilm, pot fi observate diferite modele de expresie a genelor, ceea ce sugerează că membrii individuali ai comunității au „responsabilități specifice” care, atunci când sunt combinate cu altele, sporesc viabilitatea întregului consorțiu.

Biofilmele sunt formate în plămâni de un agent patogen P.aeruginosa. Grosimea unui astfel de biofilm este de câteva sute de micrometri. Microcoloniile dintr-un biofilm matur sunt localizate în matricea polizaharidă extracelulară. În interiorul biofilmului se găsește heterogenitate: există un gradient de oxigen în el - o scădere a concentrației de oxigen de la periferie spre interior. Se așteaptă să se găsească gradienți similari pentru pH și nutrienți. Acești gradienți oferă variabilitate fiziologică între celulele individuale de biofilm: de exemplu, celulele cresc mult mai lent în adâncime decât la periferie. Bacteria dintr-un astfel de biofilm matur este rezistentă fenotipic la agenții bactericizi. Astfel, biofilmele provoacă diferite tipuri de cronicizare infectii bacteriene. Formarea biofilmului în P.aeruginosa se află sub controlul reacțiilor de detectare a cvorumului. Mutațiile genei lasI afectează maturarea biofilmului, deoarece proteina LasI nu sintetizează 3-oxo-C12-HSL, iar formarea microfilmului nu continuă după stadiul de microcolonie. Rolul C4-HSL în procesele de formare rămâne necunoscut. Biofilmele formate din mutanții proteinei LasI sunt susceptibile la detergenți, în timp ce biofilmele normale sunt rezistente. Acest lucru dă motive să credem că terapia a vizat dereglarea mecanismului de detectare a cvorumului în P.aeruginosa, poate duce la oprirea formării biofilmului, ceea ce va crește sensibilitatea acestei bacterii la agenții antimicrobieni.

Formarea unui biofilm într-o bacterie patogenă Burkholderia cepacia definit și prin „sensul cvorumului”. Când crește în biofilme, acest microorganism este similar cu P.aeruginosa prezintă rezistență semnificativă la agenții antimicrobieni.

Interacțiunile interspecifice ale microorganismelor

Comunicările interspecifice în bacterii pot servi la sincronizarea funcțiilor specializate ale speciilor dintr-un grup. Diversitatea prezentă în orice populație dată poate spori supraviețuirea pentru întreaga comunitate. Mai mult, interacțiunile productive bazate pe cvorum sensing pot promova dezvoltarea organizațiilor bacteriene cu mai multe specii, cum ar fi biofilmele, precum și stabilirea unor asociații simbiotice specifice cu gazde eucariote.

Interacțiunile interspecifice ale microorganismelor sunt studiate cel mai pe deplin pe exemplul unei comunități microbiene. cavitatea bucalăși suprafețele dinților umani. Aproximativ 500 de specii de bacterii au fost identificate în biofilmele de pe suprafața dinților, care funcționează ca o comunitate coordonată cu comunicații intra și interspecifice. Streptococii reprezintă 60 până la 90% din bacteriile care colonizează suprafața dinților în primele patru ore după ce au fost curățate de un stomatolog. Printre alte tipuri de „colonizatori timpurii” se găsesc reprezentanți Actinomyces, Capnocytophaga, Eikenella, Haemophilus, Prevotella, PropionibacteriumȘi Veillonella.

Modurile de comunicare între celulele identice genetic sunt probabil să difere de semnalele din comunicarea între specii. Nu există dovezi de bacterii orale printre moleculele de semnalizare reprezentanţi tipici familii de lactone acilhomoserine care reglează expresia genelor intraspecifice în bacteriile Gram-negative.

AI-2 este principala moleculă de semnalizare în comunicațiile interspecifice. Acest lucru este confirmat de descoperirea genei luxS care codifică enzima necesară pentru sinteza moleculei AI-2 în mai multe genuri de bacterii orale.

AI-2 a fost descoperit pentru prima dată într-o bacterie luminoasă marine Vibrio harveyi, pentru care este o moleculă semnal care reglează procesul de bioluminiscență. Mai târziu, prezența AI-2 a fost demonstrată în peste 30 de specii de bacterii, inclusiv microorganisme gram-pozitive și gram-negative.

Uneori, poate fi benefic ca un grup de bacterii să influențeze negativ ciclul de detectare a cvorumului unui grup concurent de bacterii. Cercetările în acest domeniu dezvăluie mai multe exemple de strategii de detectare anticvorum care utilizează populații bacteriene coexistente. Asa de, Staphylococcus epidermidis folosește peptida pentru a controla nivelul de virulență agr, precum și pentru a suprima virulența în Staphylococcus aureus.

Încordare bacil sp. 240B1 demonstrează capacitatea de a inactiva enzimatic lactonele acilhomoserine, moleculele de semnalizare ale bacteriilor Gram-negative. S-a demonstrat că în prezența AIA, lactonaza homoserină, constând din 250 de aminoacizi, sunt distruse molecule de lactone homoserine produse de agentul patogen în plante. Erwinia carotovora. Gene omoloage genei aiiA au fost găsite și la 16 subspecii Bacillus thuringiensis prin urmare, aceste microorganisme sunt, de asemenea, capabile să degradeze lactonele homoserine.

bacterie a solului Variovorax paradoxus poate folosi acilhomoserin lactone ca unica sursa de carbon si azot. Acest fapt indică faptul că în habitatele lor naturale V.paradoxus poate crește pe lactone acilhomoserine, beneficiind de exacerbarea competitivă a mediului. În acest caz, enzima care distruge lactonele acil homoserine este diferită de AiiA-lactonaza: este o aminoacilază care scindează inelul lactonic din gruparea acil.

Datorită faptului că sistemele de detectare a cvorumului controlează virulența la mulți agenți patogeni animale și vegetale, aceste sisteme pot fi considerate ținte potențiale pentru acțiunea agenților antimicrobieni. În primul rând, o strategie este de a inhiba sinteza moleculelor precursoare de acilhomoserin lactona sau a acilhomoserin lactone în sine. În al doilea rând, sistemele care controlează eliberarea și difuzia lactonelor acil homoserine pot servi drept ținte pentru medicamente. În al treilea rând, antagoniştii asemănători acilhomoserinei lactonei pot concura cu lactonele acilhomoserinei pentru legarea la omologii LuxR. În al patrulea rând, este posibil să se utilizeze enzime care scindează lactonele acil homoserine, precum și anticorpi la aceste molecule. Și, în cele din urmă, așa cum sa arătat recent, genele aiiA care codifică lactonazele care degradează lactonele acilhomoserine pot fi introduse în genomul plantei, exprimând în care acestea ar putea oferi protecție plantei gazdă de microorganismele patogene. Astfel, plantele transgenice de tutun cu o genă aiiA inclusă au rezistat cu succes la infecție E. carotovora.

Citokine bacteriene

S-a descoperit că microorganismele procariote sintetizează substanțe asemănătoare cu hormonii vertebratelor (inclusiv steroizi și hormoni polipeptidici, cum ar fi insulina). Un număr tot mai mare de dovezi subliniază importanța interacțiunilor dintre celulă și celulă mediate chimic în culturile bacteriene pentru evenimente precum sporularea, conjugarea, virulența și bioluminiscența. Astfel, în prezent, multe studii din domeniul microbiologiei sunt dedicate interacțiunilor dintre microorganisme bazate pe utilizarea citokinelor bacteriene.

Se știe că microorganismele sunt capabile să se adapteze flexibil la condițiile de mediu în schimbare (în special, la lipsa nutrienților). În același timp, unele dintre ele au o organizare specifică a metabolismului, fixată genetic, care le permite să existe la foarte mare măsură concentratii scazute nutrienți (oligotrofe). Celulele dintr-o altă categorie (copiotrofe), atunci când mediul este epuizat, sunt capabile să pornească programe speciale pentru a experimenta condiții nefavorabile. Unele dintre ele formează structuri specializate (spori și chisturi) care sunt extrem de rezistente la diferite stresuri, în timp ce bacteriile nesporulante sunt capabile să supraviețuiască în condiții nefavorabile, rămânând celule vegetative cu activitate metabolică redusă, de exemplu. trecând într-o stare specială VBNC (viable, dar nonculturable - viable, dar necultivat). Desigur, bacteriile necultivate rămân în afara sferei de aplicare a metodelor de cercetare general acceptate (însămânțarea pe medii solide sau lichide nu permite detectarea lor). De exemplu, agenți patogeni boli periculoase, ca și holera și campilobacterioza, tind să formeze forme necultivate. Examinarea microscopică a probelor izolate din mediu (sol, râu și ape de mare etc.) a scos la iveală multe celule care, având activitate metabolică, nu pot forma o cultură completă (adică necultivate). În prezent, sunt cunoscute doar câteva exemple de transformare a unor astfel de bacterii în celule normale de cultură. Conceptul de creștere dependentă de citokine a microorganismelor ne permite să reconsiderăm problema selecției mediilor pentru restaurarea formelor necultivabile.

Formele necultivate de bacterii patogene se găsesc nu numai în mediu, ci și în țesuturi, organe ale oamenilor și animalelor. Cel mai adesea sunt foarte diferite din punct de vedere morfologic și biochimic. De exemplu, agentul cauzal al tuberculozei în țesuturi formează forme cocoide atipice. Este posibil ca astfel de celule să fie forme speciale supraviețuitoare capabile de activare și reproducere. Existența unor astfel de forme latente poate explica recidivele recurente ale bolii la pacienții aparent vindecați. S-a demonstrat că celulele Mycobacterium tuberculosis se poate transforma într-o stare cocoidă nereplicativă în condiții microaerofile in vitro care apar adesea in vivo(de exemplu, în granuloame). Au fost găsite și forme cocoide pentru Campylobacter jejuniȘi Helicobacter pylori. Se presupune că acestea se formează în țesuturi ca răspuns la efectele medicamentelor și, posibil, sunt celule de repaus rezistente la antibiotice. Cu toate acestea, datele despre cultivarea unor astfel de forme sunt foarte contradictorii. Este posibil ca astfel de bacterii să poată fi activate de unii factori de creștere specifici, al căror rol este probabil jucat de citokinele gazdei. De exemplu, creșterea bacililor de tuberculoză în interiorul monocitelor a fost stimulată semnificativ de factorul de creștere transformator (TGF-1), în timp ce creșterea celulelor M.tuberculozaȘi M.aviumîn interiorul macrofagelor a fost accelerată semnificativ în prezența factorului de creștere epidermică. Evident, factorii citokinei gazdă pot juca un rol important atât în ​​activarea bacteriilor latente, cât și în reproducerea agenților patogeni activi. O scădere a nivelului de insulină din sângele pacienților cu diabet zaharat duce la o proliferare semnificativă a celulelor. Pseudomonas pseudomallei, care sunt agenții cauzali ai melioidozei, iar transferrina are mare importanță pentru creștere și supraviețuire în interiorul celulelor macrofagelor de șoarece Francisella tularensis.

Este posibil ca citokinele bacteriene specifice să joace, de asemenea, un rol semnificativ în formarea formelor de repaus și recuperarea lor în celulele active în diviziune. Apoi, ținând cont de problemele apariției rezistenței la antibiotice, este dificil de supraestimat importanța găsirii factorilor de creștere autocrini necesari creșterii bacteriilor patogene și, prin urmare, a fi o țintă pentru acțiunea unor antibiotice fundamental noi care sunt netoxic pentru pacient.

Utilizarea citokinelor bacteriene specifice poate, de asemenea, să îmbunătățească semnificativ situația cu cultivarea bacteriilor necultivabile în medii care nu sunt tocmai potrivite pentru reproducerea lor. De exemplu, micrococii care de obicei nu cresc pe un mediu succinat minim încep să se înmulțească în mod normal în el în prezența factorului autocrin Rpf (factor de promovare a resuscitarii), în timp ce celulele spălate Mycobacterium smegmatis, care cresc pe mediu minim doar atunci când se adaugă Rpf extras din Micrococcus luteus, poate fi considerat ca un model al unei populații de bacterii „fometate” din sol, care probabil necesită prezența unei citokine specifice pentru a începe diviziunea. Utilizarea citokinelor bacteriene specifice poate, de asemenea, să îmbunătățească semnificativ situația cu cultivarea bacteriilor necultivabile în medii care nu sunt tocmai potrivite pentru reproducerea lor. Gene care sunt similare cu gena care codifică proteina Rpf în M.luteus, sunt larg distribuite printre bacteriile Gram-pozitive cu un conținut ridicat de G+C, care includ Streptomycetes, Corynebacteria și Mycobacteria. Acest fapt deschide noi posibilități pentru prevenirea și tratarea bolilor cauzate de agenți microbieni și, de asemenea, ne permite să aruncăm o privire diferită asupra complexului complex de interacțiuni bacteriene interspecifice din habitatele naturale ale microorganismelor.

Ultima actualizare: 20/02/2004

LITERATURĂ

1. Oleskin A.V., Botvinko I.V., Tsavkelova E.A. Organizarea colonială și comunicarea intercelulară la microorganisme. Microbiologie 2000; 69:3:309-327.
2. Fuqua W.C., Winans S., Greenberg E. Sensarea cvorumului în bacterii: familia Lux R-Lux I de regulatori transcripționali care răspund la densitatea celulară. J Bacteriol 1994; 176:2:269-275.
3. Meighen E. Biologia moleculară a bioluminiscenței bacteriene. Microbiol Rev 1991; 55:1:123-142.
4. Winans S.C., Bassler B.L. Psihologia mafiei. J Bacteriol 2002; 184:4:873-883.
5. Writh R., Muscholl A., Wanner G. Rolul feromonilor în interacțiunile bacteriene. Trends Microbiol 1996; 4:3:96-103.
6. Hokhlov A.S. Autoregulatori microbieni cu greutate moleculară mică. M.: 1988; 270.
7. Waldburger C., Gonzalez D., Chambliss G.H. Caracterizarea unui nou factor de sporulare la Bacillus subtilis. J Bacteriol 1993; 175: 6321-6327.
8. Pestova E., Havarstein L., Morrison D. Regulament of competence for genetic transformation in Streptococcus pneumoniae de către un feromoni peptidici auto-induși și un sistem de reglare cu două componente. Mol Microbiol 1996; 21:4: 853-862.
9. Alloing G., Martin B., Granadel G., Claveris J. Dezvoltarea competenței în Streptococcus pneumoniae: autoinducerea feromonilor și controlul detecției cvorumului de către permeaza oligopeptidică. Ibid 1998; 9:1:75-83.
10. Prozorov A.A. Feromoni de competență în bacterii. Microbiologie 2001; 70:1:5-14.
11. Salmond G., Bycroft B., Stewart C., Williams P. "Enigma" bacteriană: cracarea codului comunicării celulă-celulă. Mol Microbiol 1995; 16:4:615-624.
12. Greenberg E., Winans S., Fuqua C. Cvorum-sensing de către bacterii. Ann Rev Microbiol 1996; 50:727-751.
13. Otto M., Sussmuth R., Vuong C. et al. Inhibarea expresiei factorului de virulență în Staphylococcus aureus langa Staphylococcus epidermidis feromonul agr și derivații. FEBS Lett. 1999; 450:257-262.
14. Dong Y., Xu J., Li X., Zhang L. AiiA, o enzimă care inactivează semnalul de detecție a cvorumului lactonei acil-homoserin și atenuează virulența Erwinia carotovoru. Proc Natl Acad Sci 2000; 97:7: 3526-3531.
15. Byers J., Lucas C., Salmond G., Welch M. Nonenzymatic turnover of an Erwinia carotovora moleculă de semnalizare cvorum-sensing. J Bacteriol 2002; 184:4: 1163-1171.
16. Calfee M., Coleman J., Pesci E. Interferența cu sinteza semnalului chinolonei Pseudomonas inhibă expresia factorului de virulență prin Pseudomonas aeruginosa. Proc Natl Acad Sci 2001; 98:20:11633-11637.
17. Nakayama J., Takanami Y., Horii T. et al. Mecanismul molecular al semnalizării feromonilor specifici pep-tidei în Enterococcus faecalis: funcțiile receptorului de feromoni TraA și ale proteinei de legare a feromonilor TraC codificate de plasmida pPDI. J Bacteriol 1998:180:3:449-456.
18. Mylonakis E., Engelbert M., Qin X. et al. The Enterococcus faecalis Gena fsrB, o componentă cheie a sistemului de detectare a cvorumului fsr, este asociată cu virulența în modelul de endoftalmite de iepure. Infect Immun 2002; 70:8:4678-4681.
19. Sifri C., Mylonakis E., Singh V. et al. Efectul de virulență al Enterococcus faecalis genele de protează și lăcusta cu detecție a cvorumului la Caenorhabditis elegans și șoareci. ibid 2002; 70:10: 5647-5650.
20. Matson M., Armitage J., Hoch J., Macnab R. Locomoția bacteriană și transducția semnalului. J Bacteriol 1998; 180:5:1009-1022.
21. Onaka H., Horinouchi S. Activitatea de legare a ADN-ului a proteinei receptorului factorului A și a secvențelor sale de ADN de recunoaștere. Mol Microbiol 1997; 24:991-1000.
22. Onaka H., Ando N., Nihira T., Yamada Y. et al. Clonarea și caracterizarea genei receptorului factorului A din Streptomyces griseus. J Bacteriol 1995; 177:21:6083-6092.
23. Ohnishi Y., Kameyama S., Onaka H., Horinouchi S. Cascada de reglare a factorului A care duce la biosinteza streptomicinei în Streptomyces griseus: identificarea unei gene țintă a receptorului factorului A. Mol Microbiol 1999; 34:102-111.
24. Yamazaki H., Ohnishi Y., Horinouchi S. Un factor sigma al funcției extracitoplasmatice dependent de factor A (OAdsA) care este esențial pentru dezvoltarea morfologică în Streptomyces griseus. J Bacteriol 2000; 182:16:4596-4605.
25. Kato J., Suzuki A., Yamazaki H. et al. Controlul prin factorul A al unei gene metaloendopeptidază implicată în formarea miceliului aerian în Streptomyces griseus. ibid 2002; 184:21:6016-6025.
26. Onaka H., Nikagawa T., Horinouchi S. Implicarea a doi omologi ai receptorului factorului A în Streptomyces coelicolor A3(2) în reglarea metabolismului secundar și a morfogenezei. Mol. microbiol. 1998; 28:4:743-753.
27. Revenchon S., Bouillant M., Salmond G., Nasser W. Integrarea sistemului de detectare a cvorumului în rețelele de reglementare care controlează sinteza factorului de virulență în Erwinia chrysanthemii. Mol Microbiol 1998; 29:1407-1418.
28. Chatterjee A., Cui Y., Chatterjee A.K. RsmA și semnalul de detectare a cvorumului, N-L-homoserin lactona, controlează nivelurile de ARN rsmB în Erwinia carotovora subsp. carotovora prin afectarea stabilității acesteia. J Bacteriol 2002; 184:15: 4089-4095.
29. Kohler T., Van Delden C., Curty L. et al. Supraexprimarea sistemului de eflux multidrog MexEF-OprN afectează semnalizarea de la celulă la celulă în Pseudomonas aeruginosa. Ibid 2001; 183:18:5213-5222.
30. Gallagher L., McKnight S., Kuznetsova M. el al. Funcțiile necesare pentru semnalizarea chinolonei extracelulare de către Pseudomonas aeruginosa. ibid 2002; 184:23:6472-6480.
31. Parsek M., Greenberg P. Sensarea cvorumului acil-homoserine lactona la bacteriile gram-negative: un mecanism de semnalizare implicat în asocieri cu organisme superioare. Proc Natl Acad Sci 2000; 97:16:8789-8793.
32. Conway V.A., Wepi V., Speert D. Formarea biofilmului și producția de acil-homoserin lactonă în Burkholderia cepacia complex. J Bacteriol 2002; 184:20:5678-5685.
33. Kolenbrander P., Andersen R., Blehert D. et al. Comunicarea între bacteriile orale. Microb. Biologie moleculară Rev 2002; 66:3:486-505.
34. Miller M., Bassler B. Sensarea cvorumului în bacterii. Annu Rev Microbiol 2001; 55:165-199.
35. Frias J., Olle E., Alsina M. Patogenii parodontali produc molecule semnal cu detecție cvorum. Infect Immun 2001; 69:3431-3434.
36. McNab R., Ford S., EI-Sabaeny A. et al. Semnalizare bazată pe LuxS în Streptococcus gordonii: Autoinductorul 2 controlează metabolismul carbohidraților și formarea biofilmului cu Porphyromonas gingivalis. J Bacteriol 2003; 185:1:274-284.
37. Bassler B., Wright M., Silverman M. Sisteme de semnalizare multiple care controlează expresia luminiscenței în Vibrio harveyi: secvența și funcția genelor care codifică o a doua cale senzorială. Mol Microbiol 1994; 13:273-286.
38. Ji G., Beavis R., Novick R. Interferența bacteriană cauzată de variantele peptidice autoinduce. Știință 1997; 276:2027-2030.
39. Lee S., Park S., Lee J., et al. Genele care codifică enzima de degradare a lactonei N-acyi homoserină sunt răspândite în multe subspecii de Bacillus thuringiensis. Apple Environ Microbiol 2002; 68:8:3919-3924.
40. Leadbetter J., Greenberg E. Metabolismul semnalelor de detecție a cvorumului lactonei acilhomoserinei de către Variovorax paradoxus. J Bacteriol 2000; 182:6921-6926.
41. Hoang T., Schweizer H. Caracterizarea Pseudomonas aeruginosa enoil-acil proteina purtătoare reductază (Fabl): o țintă pentru triclosanul antimicrobian și rolul său în sinteza lactonei homoserine acilate. Ibid 1999; 181:. 5489-5497.
42. Pearson J., Delden C., Iglewski B. Efluxul activ și difuzia sunt implicate în transportul Pseudomonas aeruginosa semnale de la celulă la celulă. J. Bacteriol. 1999; 181: 1203-1210.
43. Manefield M., Welch M., Givskov G. și colab. Furanozele halogenate din alga roșie, Delisea pulchra, inhibă sinteza antibioticelor carbapenem și producția de factor de virulență exoenzimatică în fitopat Erwinia carotovora. FEMS Microbiol Lett 2001; 205:131-138.
44. Dong Y., Wang L., Xu J. și colab. Stingerea infecției bacteriene dependente de cvorum-sensing de către o N-acil homoserină lactonază. Natură. 2001; 411:813-817.
45. Romanova Yu.M., Gintsburg A.L. Citokinele sunt posibili activatori de creștere ai bacteriilor patogene. Vesti RAMN 2000; 1:13-17.
46. Barcina I., Lebaron P., Vives-Rego J. Supraviețuirea bacteriilor alohtone în sistemele acvatice: o abordare biologică. FEMS Microbiol Ecol 1997; 23:1-9.
47. Heim S., Lleo M., Bonato B. et al. Starea viabilă, dar neculturabilă și foametea sunt răspunsuri diferite la stres Enterococcus faecalis, așa cum este determinat prin analiza proteomului. J Bacteriol 2002; 184:23: 6739-6745.
48. Xu H., Roberts N., Singleton F. el al. Supraviețuirea și viabilitatea nonculturabilului Escherichia coliși Vibrio choleraeîn mediul estuarin și marin. Microb Ecol 1982; 8:313-323.
49. Kell D., Kaprelyants A., Grafen A. Feromoni, comportamentul social și funcțiile metabolismului secundar în bacterii. Trends In Ecology & Evolution 1995; 10:126-129.
50. Domingue G., Woody H. Persistența bacteriană și expresia bolii. Clin Microbiol Rev 1997; 10:320-328.
51. Khomenko A. Variabilitatea lui Mycobacterium tuberculosis la pacientii cu tuberculoza pulmonara cavitara in cursul chimioterapiei. Tubercle Lung Disease 1987; 68:243-253.
52. Gangadharam P. Repaus micobacterian. Tub Lung Dis 1995; 76:477-479.
53. Wayne L. Dormancy of Mycobacterium tuberculosisși latența bolii. European J Clin Microbiol Infect Dis 1994; 13:908-914.
54. Wayne L., Hayes L. An in vitro model pentru studiul secvenţial al shiftdown of Mycobacterium tuberculosis prin 2 etape de persistență nereplicativă. Infect Immun 1996; 64:2062-2069.
55. Beumer R., Devries J., Rombouts F. Campylobacter jejuni celule cocoide necultivabile. Intern J Food Microbiol 1992; 15:153-163.
56. Kusters J., Gerrits M., Van Strijp J. el at. forme cocoide ale Helicobacter pylori sunt manifestările morfologice ale morții celulare. Infect Immun 1997; 65:3672-3679.
57. Cellini L., Hui P., Leung K. el at. Coccoid Helicobacter pylori reversuri in vitro necultivabile la șoareci. Microbiol Immun 1994; 38:843-850.
58. Hirsch C., Yoneda T., Averill L. et al. Îmbunătățirea creșterii intracelulare a Mycobacterium tuberculosisîn monocitele umane prin transformarea factorului de creştere-b-l. J. Infect Dis 1994; 170:1229-1237.
59. Bermudez. L., Pelrofsky M. Reglementarea expresiei a Mycobacterium avium proteinele complexe diferă în funcție de mediul din interiorul celulelor gazdă. Immunol Cell Biol 1997; 75:35-40.
60. Woods D., Jones A., Hill P. Interacțiunea insulinei cu Pseudomonas pseudomallei. Infect Immun 1993; 61:4045-4050.
61. Fortier A., ​​​​Leiby D., Narayanan R. și colab. Creșterea de Francisella tularensis LVS în macrofage - compartimentul intracelular acid furnizează fierul esențial necesar creșterii. Ibid 1995; 65:1478-1483.
62. Duncan S., Glover L., Killham K., Prosser J. Detectarea pe bază de luminescență a activității bacteriilor înfometate și viabile, dar necultivabile. Apple Environ Microbiol 1994; 60:1308-1316.
63. Young D., Duncan K. Perspective pentru noi intervenții în tratamentul și prevenirea bolii micobacteriene. Ann. Rev. microbiol. 1995; 49:641-673.
64. Mukamolova G., Kapreilyants A., Young D. și colab. O citokină bacteriană. Proc Nat! Acad.Sci SUA. 1998; 95: 8916-8921.
65. Shleeva M.O., Mukamolova G.V., Telkov M.V. et al. Formarea de celule „necultivate”. Mycobacterium tuberculosisși renașterea lor. Microbiologie 2003; 72:76-83.

Proprietarii brevetului RU 2534617:

Invenţia se referă la domeniul microbiologiei, biotehnologiei şi farmaceutice, şi anume la mici molecule reglatoare capabile să modifice direcţional comunicarea dependentă de densitate şi comportamentul colectiv pe care îl reglează („cvorum sense”) la bacterii. în special, invenţia se referă la utilizarea unui derivat de tiazol cu ​​formula 1 ca regulator (activator sau inhibitor) al comportamentului colectiv („cvorum sensing”) la bacterii. EFECT: derivat de tiazol destinat pentru reglarea „sensului de cvorum” mediat de lactone homoserine în bacterii biotehnologice utile, putrefactive și patogene producătoare de violaceină. 2 ill., 1 fil., 2 pr.

Invenţia se referă la microbiologie, biotehnologie şi farmaceutică şi se referă la molecule reglatoare mici capabile să schimbe direcţional (slăbirea sau întărirea) comunicarea dependentă de densitate şi comportamentul colectiv pe care îl reglează („sensul cvorum”) în bacterii. Invenția poate găsi aplicație în controlul proceselor biotehnologice, producerea de agenți pentru prevenirea deteriorării produselor agricole, precum și crearea de noi medicamente destinate controlului și gestionării infecțiilor bacteriene la plante, animale și oameni.

Descoperirea comunicării dependente de densitate în bacterii cu o caracterizare a mecanismelor genetice moleculare subiacente a fost una dintre cele mai izbitoare descoperiri în microbiologie la sfârșitul secolului al XX-lea. În același timp, acest fenomen al comportamentului colectiv al bacteriilor, desemnat prin conceptul de „quorum sensing” (engleză – quorum sensing), a făcut posibilă evaluarea într-un mod fundamental nou a unui număr de exemple de diferențiere funcțională și morfologică a procariote, inclusiv dezvoltarea bioluminiscenței, sinteza pigmenților și a antibioticelor, formarea de exoenzime și factori de virulență, formarea biofilmului, conjugarea și sporularea.

Prima dintre variantele descrise și cea mai comună de „sensing cvorum” în rândul microorganismelor sunt sistemele de tip luxI/luxR, în care o moleculă autoinductoră de semnal sintetizată sub controlul genei luxI difuzează în mediul extern și când o populație critică. densitatea și propria concentrație prag determinată de această mișcare inversă în interiorul celulei bacteriene, unde, prin legarea de proteina reglatoare LuxR, declanșează transcripția genelor țintă. În același timp, o analiză a naturii chimice a unor astfel de autoinductori a făcut posibilă caracterizarea acestora ca diferite variante de lactone homoserine acilate (HSL).

Descifrarea mecanismelor genetice moleculare ale comportamentului colectiv, precum și identificarea rolului biologic important al sistemelor de comunicare dependente de densitate, au determinat relevanța căutării abordărilor pentru gestionarea simțului cvorumului. Soluțiile propuse au fost: 1) suprimarea sintezei autoinductoare; 2) degradarea acestuia de către enzime specifice (lactonaze ​​sau acilaze); 3) utilizarea agoniştilor şi antagoniştilor GSL capabili să interfereze direct cu semnalul natural pentru legarea la proteinele asemănătoare luxR. Aceasta din urmă abordare, care este dezvoltată cel mai intens în multe laboratoare din întreaga lume și a condus până în prezent la crearea a câteva sute de compuși activi, este cea care formează baza teoretică pentru prezenta invenție.

O analiză a surselor deschise de brevete ne permite să afirmăm că cel mai apropiat analog al invenției revendicate este un brevet, a cărui formulă și descriere conțin informații despre un număr de compuși, în funcție de obiectul de influență, capabili să provoace fie activare (agonistă). ) sau efecte inhibitorii (antagoniste) în raport cu mediate de lactonele homoserine „cvorum sensing” în anumite tipuri de bacterii. În același timp, solicitanții au bazat astfel de substanțe pe un inel lactonic similar HSL natural, pentru a-i conferi activități modulante suplimentare, modificarea covalentă a fost efectuată cu grupări acil de diferite structuri și compoziții. Cu toate acestea, asemănarea structurală semnificativă a grupului propus de molecule cu semnale naturale nu numai că oferă posibilitatea interferențelor între ele indicate de solicitanți, dar reține potențial posibilitatea de a dezvolta efecte nesocotite în raport cu alte microorganisme, comunicare dependentă de densitate între care este mediată de GSL-uri similare structural.

La rândul său, în ceea ce privește structura chimică a compusului revendicat, cea mai apropiată soluție tehnică cunoscută este un brevet, a cărui formulă și descriere conțin informații despre un număr de compuși bazați pe un inel tiazol cu ​​cinci membri legat covalent la cicloalchil substituit sau nesubstituit, arii și alte grupări. Cu toate acestea, acest brevet nu indică posibilitatea utilizării acestor compuși pentru a regla comportamentul colectiv („cvorum sensing”) la bacterii, iar scopul principal al compușilor revendicați este utilizarea lor ca antagoniști ai receptorilor de adenozină.

Astfel, invenția revendicată nu este cunoscută din stadiul tehnicii, ceea ce determină conformitatea acesteia cu cerința de noutate.

Obiectivul acestei invenții este de a dezvolta un compus structural diferit de lactinele homoserine, care are o capacitate selectivă și pronunțată de a regla (atât creșterea, cât și scăderea) comportamentul colectiv mediat de GSL („cvorum sensing”) într-un anumit interval de biotehnologie utile, bacterii putrefactive și patogene.

În prezenta invenție, această problemă este rezolvată prin utilizarea unui compus pe bază de tiazol, descris complet prin formula 1:

Această invenţie dezvăluie formula structurală a compusului cu formula 1 şi metode de aplicare practică a acestuia pentru reglarea comportamentului colectiv („cvorum sensing”) la bacterii.

Conform prezentei invenții, preparatul (compoziția) reglator pe bază de derivat de tiazol conține în greutate de la 0,0001 la 100% din compușii cu formula 1, restul sunt componente neutre sau substanțe care se modifică pozitiv (crește biodisponibilitatea, crește durata). de acţiune etc.) a proprietăţilor acestor compoziţii.

În comparație cu compușii care constituie esența brevetelor cunoscute, compusul revendicat cu formula 1 prezintă o serie de diferențe semnificative, și anume:

În primul rând, spre deosebire de compușii cunoscuți bazați pe inelul lactonic și, în acest sens, fiind analogi structurali apropiați ai moleculelor naturale de autoreglare - lactone homoserine, compusul revendicat este un ligand sintetic diferit structural de aceștia. Regulatorii „detecție cvorum” pe bază de tiazol nu sunt cunoscuți din literatura științifică și de brevete disponibilă;

în al doilea rând, spre deosebire de derivații de tiazol cunoscuți cu formula generală 2

compusul revendicat are o singură variantă a radicalului atașat covalent, corespunzător lui R4 în poziția sa și complet descris de restul de acid hexanoic analog cu molecula semnal natural (hexanoil-homoserin lactonă), în absența altor modificări ale radicalilor. R 1 , R 2 și R 3 \u003d H . în plus, spre deosebire de brevetul cunoscut, care stipulează utilizarea compuşilor cu formula generală 2 ca antagonişti ai receptorului de adenozină, compusul revendicat cu formula 1 este destinat să regleze comportamentul colectiv mediat de GSL („cvorum sensing”) la bacterii;

în al treilea rând, datorită diferențelor structurale față de moleculele naturale de autoreglare care sunt active în multe sisteme asemănătoare luxI / luxR, compusul revendicat cu formula 1 are o activitate de reglare selectivă (selectivă) implementată în legătură cu sistemul de biosinteză a violaceinei reglat de cviI / cviR Chromobacterium. violaceum, precum și alte bacterii producătoare de violaceină, putrefactive și patogene, utile din punct de vedere biotehnologic (vezi exemplul 1). În același timp, motivul probabil pentru acțiunea selectivă a compusului cu formula 1 în sistemele numite „detecție cvorum” constă în interacțiunea selectivă cu proteina reglatoare CviR și omologii ei apropiați, dar nu și cu alte proteine ​​asemănătoare LuxR. La rândul său, diversitatea naturală a proteinelor asemănătoare CviR determină posibilitatea reglării lor atât pozitive, cât și negative de către compusul revendicat, care într-o gamă diferită de bacterii producătoare de violaceină utile din punct de vedere biotehnologic, putrefactive și patogene se va manifesta fie ca o creștere ( vezi exemplul 1) sau ca o slăbire (vezi exemplul 2) comportament colectiv.

Pentru a înțelege esența invenției, este, de asemenea, necesar să subliniem că reglementarea „detecției de cvorum” realizată prin utilizarea compusului cu formula 1 include, dar nu se limitează la, efectul asupra producției de violaceină, deoarece. Sub controlul proteinei reglatoare CviR și al omologilor săi, există o serie de gene țintă (operoni), inclusiv cele responsabile pentru producerea de exoenzime și formarea de biofilme. Utilizarea testului pentru inducerea sau inhibarea biosintezei violaceinei în prezenta invenție este determinată de simplitatea și caracterul informativ al manifestării înregistrate a activității de reglare a compusului cu formula 1.

Astfel, rezultatul acțiunii compusului cu formula 1 este reglarea specifică a unui anumit sistem de „detecție a cvorumului”, a cărui direcție (întărire sau slăbire) este determinată de caracteristicile receptorului proteinelor asemănătoare CviR care percep aceasta. Astfel, prin utilizarea aceluiași compus, este posibilă influențarea comportamentului colectiv al diferitelor microorganisme în direcții diferite, inclusiv izolat sau în cultura lor mixtă.

Utilizarea protejată a compusului cu formula 1 implică, printre altele, utilizarea acestuia pentru controlul proceselor biotehnologice implementate cu ajutorul microorganismelor producătoare de violaceină (de referință: violaceina este un derivat de indol format în timpul oxidării triptofanului, un albastru-violet). pigment cu activități antibacteriene, protistocide, antivirale și alte activități utile din punct de vedere biotehnologic și farmacologic). În acest caz, compusul cu formula 1 poate fi introdus în medii nutritive solide sau lichide sub formă de soluții, precum și utilizat ca substanță pură sau imobilizat pe diferiți purtători.

Invenția brevetată include, de asemenea, utilizarea unui compus cu formula 1 pentru a regla activitatea altor gene țintă (operoni), inclusiv a celor implicate în alterarea produselor agricole, precum și în dezvoltarea bolilor infecțioase ale plantelor, animalelor și oamenilor. În acest scop, acest compus poate fi administrat organismului pentru a oferi un efect sistemic, precum și aplicat local pentru a afecta anumite zone (de exemplu, ca parte a pansamentelor pentru răni, la tratarea câmpului chirurgical etc.). Compusul poate fi utilizat ca solide, soluții sau suspensii în apă sau alți solvenți și aplicat la o varietate de purtători. De asemenea, este posibil să se utilizeze compusul cu formula 1 în compoziții cu alte substanțe, inclusiv modificarea pozitivă (creșterea biodisponibilității, a duratei de acțiune) a activității sale biologice.

Invenţia revendicată este ilustrată, dar fără a se limita în niciun fel, prin următoarele exemple.

Exemplul 1. Stimularea comportamentului colectiv („cvorum sensing”) la bacterii.

Determinarea capacităţii compuşilor cu formula 1 de a regla „sensul de cvorum” a fost efectuată utilizând două sisteme de testare bacteriene, în prezenţa hexanoil-homoserin lactonei (C6-GSL)? responsabil de sinteza pigmentului de violaceină (Chromobacterium violaceum NCTC 13274) sau de dezvoltarea bioluminiscenței (Escherichia coli pAL103). În același timp, prima caracteristică a fost inserarea transpozonului Tn5 în gena cvil, responsabilă de sinteza propriei C 6 -HSL, menținând în același timp gena cviR activă funcțional și proteina reglatoare codificată de aceasta, care este responsabilă. pentru perceperea autoinductorului.

Quomm sensing și Chrornobacteriurn violaceum: exploatarea producției de violaceină și inhibarea pentru detectarea lactonelor N-acil homoserine. Microbiologie, 1997, V.143, P.3703-3711]. La rândul său, o caracteristică a celei de-a doua tulpini a fost prezența constructului genetic luxR + luxI_luxCDABE, care codifică proteina receptorului LuxR Vibrio fischeri și, în prezența C 6 -GSL sau C 6 -oxo-GSL introdusă exogen, răspunde la dezvoltarea luminiscenței (bioluminiscența).

La testare, C. violaceum NCTC13274 și Escherichia coli pAL103 au fost cultivate pe medii nutritive lichide în absența (martor) și în prezența C6-GSL sau a unui compus cu formula 1 (experiment) utilizat în intervalul de concentrație de la 2 la 1000 μm. Caracteristica acțiunii de reglare a fost valoarea EC50 - concentrația compușilor comparați, determinând inducerea formării pigmentului violacein sau a bioluminiscenței cu 50% din efectul cel mai pronunțat în prezența unui semnal natural. Rezultatele unor astfel de teste sunt ilustrate în Figura 1 și sunt rezumate în Tabelul 1.

Tabelul 1. Evaluarea efectului compusului cu formula 1 asupra comportamentului colectiv („cvorum sensing”) la bacterii în testele pentru C. violaceum NCTC13274 și E. coli pAL103.

Din datele prezentate, se poate observa că ambele microorganisme utilizate reacţionează intens cu sinteza dependentă de cvorum a violaceinei (C. violaceum NCTC) sau dezvoltarea bioluminiscenţei (E. coli pAL103) în prezenţa autoreglatorului natural C 6 -GSL. La rândul său, compusul de testat cu formula 1 acționează mai puțin activ, dar mai specific, provocând inducerea sintezei violaceinei, dar nu dezvoltarea bioluminiscenței. În același timp, aceste diferențe se bazează probabil pe afinitatea selectivă a compusului 1 pentru proteina CviR care primește semnalul de reglare, în absența unei astfel de afinități pentru LuxR.

Un rezultat pozitiv al unei astfel de utilizări a invenţiei revendicate este posibilitatea inducerii selective a „detecţiei de cvorum” a anumitor tipuri de bacterii care fac parte din asociaţiile polimicrobiene.

Exemplul 2. Suprimarea comportamentului colectiv („cvorum sensing”) la bacterii.

Determinarea capacităţii compuşilor cu formula 1 de a regla „sensul de cvorum” a fost efectuată utilizând o tulpină de Jantinobacterium lividum depusă în Colecţia de microorganisme industriale din întreaga Rusie (VKPM) sub Nr. B-10136. Această tulpină este un izolat natural caracterizat prin capacitatea de a sintetiza pigmentul de violaceină sub controlul unui autoinductor de natură neidentificată.

La testare, J. lividum B-10136 a fost crescut pe medii nutritive lichide în absența (martor) și în prezența compusului cu formula 1 (experiment), utilizat în intervalul de concentrație de la 2 la 1000 μm. Caracteristica acțiunii de reglementare a fost valoarea EC50 - concentrația compusului cu formula 1, provocând suprimarea producției de violaceină cu 50% din efectul cel mai pronunțat în control.

Rezultatele unor astfel de teste sunt ilustrate în Fig.2. Din datele de mai sus, rezultă că compusul de testat cu formula 1 inhibă producția de violaceină (EC50=87,5 μm), ceea ce îl caracterizează ca un inhibitor al comportamentului colectiv („cvorum sensing”) al J. lividum B-10136.

Un rezultat pozitiv al unei astfel de utilizări a invenţiei revendicate este capacitatea de a suprima „sensul de cvorum” al anumitor tipuri de bacterii, în special J. lividum, pentru a preveni daunele pe care le provoacă produselor agricole. Aceeași activitate poate fi utilizată în tratamentul și prevenirea bolilor infecțioase ale plantelor, animalelor și umane cauzate de J. lividum și alte microorganisme producătoare de violaceină.

Utilizarea unui derivat de tiazol cu ​​formula 1 ca regulator (activator sau inhibitor) al comportamentului colectiv („cvorum sensing”) la bacterii:

Brevete similare:

Invenţia se referă la domeniul chimiei organice, şi anume la noi substanţe biologic active din clasa 4-aril-2-hidroxi-4-oxo-2-butenoaţilor de heterolamoniu, şi anume la 2-hidroxi-4-metilfenil-4- formula de oxo-2-butenoat tiazolinil amoniu (1).

Invenţia se referă la domeniul chimiei organice, la noi substanţe biologic active din clasa 4-aril-2-hidroxi-4-oxo-2-butenoaţilor de heterolamoniu, şi anume 2-hidroxi-4-oxo-4-(4). -clorofenil)-2-tiazolina butenoat de amoniu (1) cu formula având activitate anticoagulantă, ceea ce sugerează utilizarea sa în medicină ca agent anticoagulant.

Invenția se referă la noi derivați ai 2-(imino-substituite) tiazolidine, o metodă de preparare a acestora, produse farmaceutice care conțin aceste substanțe, utilizarea acestor derivați ai 2-(imino-substituite) tiazolidine pentru tratament diverse boli, precum si obtinerea de compozitii farmaceutice pe baza acestora, folosite pentru tratament.

Invenţia se referă la o metodă pentru obţinerea de noi compuşi chimici activi biologic, în special la o metodă pentru obţinerea de noi derivaţi ai iminotiazolidinei sau clorhidratilor acestora, care au activitate antidepresivă, antiepileptică, antiparkinsoniană şi analgezică.

Invenţia se referă la un compus reprezentat prin formula (I), unde reprezintă configuraţia a; este o configurație β; și reprezintă configurația a, configurația p sau orice amestec al acestora, sarea sa sau amestecul său cu un diastereomer într-un raport arbitrar sau clatratul său de ciclodextrină.

Invenţia se referă la o metodă de obţinere a cristalelor de forma A a acidului 2-(3-ciano-4-izobutiloxifenil)-4-metil-5-tiazolcarboxilic. Metoda include: etapa de dizolvare a acidului 2-(3-ciano-4-izobutiloxifenil)-4-metil-5-tiazolcarboxilic în 1-propanol sau 2-propanol prin încălzire, etapa de răcire a soluției rezultate și etapa de adăugare de heptan la această soluție.

Invenţia se referă la utilizarea compuşilor cu formula generală (I) având proprietăţile unui inhibitor de monoaminoxidază (MAO) şi/sau peroxidarea lipidelor şi/sau proprietăţile modulatorilor. canale de sodiu, precum și un medicament pe bază de aceștia având aceleași proprietăți, mai precis, compușii și medicamentul pot fi utilizați pentru tratamentul bolii Parkinson, demenței senile, bolii Alzheimer, coreei Huntington, sclerozei laterale amiotrofice, schizofreniei, depresiei, psihozei , durere și epilepsie.

Invenţia se referă la un compus reprezentat prin formula (I), în care A1 reprezintă benzen sau un heterociclu selectat din grupul constând din piridină, pirazină, imidazol, tiazol, pirimidină, tiofen, piridazină, benzoxazină şi oxobenzoxazină; A2 este benzen substituit opţional cu fluor sau tiofen; B1 este hidrogen, alchil inferior opţional substituit cu piperazinil sau morfolino, alchil inferior substituit cu halogen, alcoxi inferior substituit cu carbamoil, acilamino, carbamoil sau alchilcarboniloxi inferior (cu condiţia ca atunci când A1 este tiazol, B1 nu este acilamino); B2 este hidrogen sau o grupare funcțională care conține cel puțin un atom de azot selectat din grupul constând din acilamino, pirolidinil, morfolino, piperidinil opțional substituit cu acil, piperazinil opțional substituit cu alchil inferior sau acil, pirazolil, diazabicicloheptil, opțional substituit cu acil și di-(alchil inferior)amino, amino substituit opţional sau acilamino (cu condiţia ca atunci când A1 este tiazol, B2 nu este acilamino); Y este o grupare reprezentată prin formula (II) în care J este etilenă sau alchinilen inferior; L este o legătură; M înseamnă bond; X este -(CH2)m-, -(CH2)m-O- sau -(CH2)m-NR2- (unde m este un număr întreg de la 0 la 3 şi R2 este hidrogen); D este -NR3- unde R3 este hidrogen; şi E este amino sau o sare acceptabilă farmaceutic a acestuia.

Invenţia se referă la compuşi cu formula 1.0: în care Q este un inel tetrahidropiridinil substituit. R5, R1 sunt selectați din grupul constând din: (1) piridil substituit cu un substituent selectat din grupul constând din: -O-CH3, -O-C2H5, -O-CH(CH3)2 și -O-( CH2)2-O-CH3, R2 este selectat din grupul constând din: -OCH3 şi -SCH3; și R5 este selectat din grupul constând din: (a) triazolilfenil substituit-, unde triazolil este substituit cu una sau două grupări alchil selectate din grupul constând din: -alchil C1-C4, (b) triazolilfenil substituit-, unde triazolil este substituit pe atomul de azot -alchil C1-C4, (c) triazolilfenil substituit-, unde triazolil este substituit pe atomul de azot -alchilen C2-O-alchil C1-C2, (d) triazolilfenil substituit-, unde triazolil este substituit pe atomul de azot atom de azot -alchilen C2-C4-O-CH3 și (e) triazolilfenil substituit-, în care triazolilul este substituit pe atomul de azot cu -alchil C1-C4 substituit cu hidroxi și în care fenilul este substituit opțional cu 1 până la 3 substituenţi selectaţi în mod independent din grupul constând din halogen; și sărurile și solvații lor acceptabili farmaceutic, care sunt revendicați a fi inhibitori ERK.

Invenţia se referă la un nou agent, care este un derivat al rodaninei cu formula (I), pentru tratamentul bolilor tumorale de diferite localizări. EFECT: mijloc de acțiune antiproliferativă și antimetastatică pentru tratamentul bolilor tumorale.

Utilizarea (R)-5--2-(-propilimino)-3-orto-toliltiazolidin-4-onei (Compusul 1) sau a sării sale pentru prepararea unui medicament pentru prevenirea și/sau tratamentul unei boli sau se propune tulburarea asociată cu activarea sistemului imunitar.sisteme în care medicamentul este un set de doze de compus 1, iar în timpul fazei inițiale a tratamentului, doza induce desensibilizarea inimii și este sub doza finală, iar în timpul faza inițială specificată a tratamentului, doza este administrată la o frecvență care menține desensibilizarea cardiacă până când va apărea următoarea scădere bruscă a frecvenței cardiace și apoi doza este titrată până la doza finală de compus 1; metoda adecvata de tratament si setul de doze.

Invenţia se referă la un compus cu formula I sau la sărurile sale acceptabile terapeutic, în care A1 este furil, imidazolil, izotiazolil, izoxazolil, pirazolil, pirolil, tiazolil, tiadiazolil, tienil, triazolil, piperidinil, morfolinil, dihidro-1,3,4, tiadiazol-2-il, benzotien-2-il, benzotiazol-2-il, tetrahidrotien-3-il, triazolopirimidin-2-il sau imidazotiazol-5-il; unde A1 este nesubstituit sau substituit cu unul sau doi sau trei sau patru sau cinci substituenți selectați în mod independent dintre R1, OR1, C(O)OR1, NHR1, N(R1)2, C(N)C(O)R1, C( O)NHR1, NHC(0)R1, NR1C(O)R1, (O), N02, F, CI, Br şi CF3; R1 este R2, R3, R4 sau R5; R2 este fenil; R3 este pirazolil sau izoxazolil; R4 este piperidinil; R5 este alchil C1-Cio sau alchenil C2-Cio, fiecare nesubstituit sau substituit cu substituenţi selectaţi dintre R7, SR7, N(R7)2, NHC(O)R7, F şi CI; R7 este R8, R9, R10 sau R11; R8 este fenil; R9 este oxadiazolil; R10 este morfolinil, pirolidinil sau tetrahidropiranil; R11 este alchil Ci-Cio; Z1 este fenilen; Z2 este piperidină, nesubstituită sau substituită cu OCH3, sau piperazină; Z1A și Z2A lipsesc ambele; L1 este alchil C1-Cio sau alchenil C2-Cio, fie nesubstituit, fie substituit cu R37B; R37B este fenil; Z3 este R38 sau R40; R38 este fenil; R40 este ciclohexil sau ciclohexenil; unde fenilena reprezentată de Z1 este nesubstituită sau substituită cu o grupare OR41; R41 este R42 sau R43; R42 este fenil care este necondensat sau fuzionat cu pirolil, imidazolil sau pirazol; R43 este piridinil care este necondensat sau condensat cu pirolil; unde fiecare dintre fragmentele ciclice de mai sus reprezentate de R2, R3, R4, R8, R9, R10, R38, R40, R42 și R43 este independent nesubstituit sau substituit cu unul sau mai mulți substituenți selectați independent dintre R57, OR57, C(O)OR57 , F, CI CF3 şi Br; R57 este R58 sau R61; R58 este fenil; R61 este alchil Ci-Cio; şi unde fenilul reprezentat de gruparea R58 este nesubstituit sau substituit cu unul sau mai mulţi substituenţi selectaţi în mod independent dintre F şi CI. Invenţia se referă, de asemenea, la o compoziţie farmaceutică care conţine aceşti compuşi şi la o metodă pentru tratamentul bolilor în care sunt exprimate proteinele anti-apoptotice Bcl-2. 4 n. și 3 z.p. f-ly, 2 mese, 48 ​​pr.

Invenţia se referă la domeniul microbiologiei, biotehnologiei şi farmaceutice, şi anume la mici molecule reglatoare capabile să modifice direcţional comunicarea dependentă de densitate şi comportamentul colectiv reglat de aceasta în bacterii. în special, invenţia se referă la utilizarea unui derivat de tiazol cu ​​formula 1 ca regulator al comportamentului colectiv al bacteriilor. EFECT: derivat de tiazol destinat pentru reglarea „sensului de cvorum” mediat de lactone homoserine în bacterii biotehnologice utile, putrefactive și patogene producătoare de violaceină. 2 ill., 1 fil., 2 pr.

Comunicarea chimică în bacterii (Regulamentul de detectare a cvorumului)

IN ABSENTA. Khmel, IMG RAS

În ultimii ani, atenția numeroși cercetători care lucrează cu microorganisme din diverse domenii ale biologiei și medicinei a fost atrasă asupra unui fenomen numit Quorum Sensing (QS). Cvorum Sensing (QS) este un tip special de reglare a expresiei genelor bacteriene care depinde de densitatea populației lor. Sistemele QS includ molecule de semnalizare cu greutate moleculară mică numite autoinductori, care difuzează ușor prin peretele celular și proteine ​​de reglementare de care se leagă autoinductorii (AI). Pe măsură ce populația bacteriană crește și atinge un nivel critic, IA se acumulează până la pragul necesar și interacționează cu proteinele reglatoare adecvate, ceea ce duce la o activare (inducere) bruscă a expresiei anumitor gene în bacterii. Cu ajutorul AI, se realizează comunicarea bacteriilor - transfer intercelular de informații între indivizi de bacterii aparținând aceleiași și diferite specii, genuri și chiar familii; prin urmare, moleculele de semnalizare sunt considerate „cuvinte” în acest „limbaj” particular al bacteriilor. Prin reglementarea QS, bacteriile dobândesc capacitatea de a controla coordonat expresia genelor în întreaga comunitate. În acest comportament al bacteriilor, caracteristici de asemănare cu organisme pluricelulare; bacteriile profită de comportamentul „social” care nu le era disponibil ca celule individuale. Transferul de informații de la celulă la celulă folosind sisteme QS, care duce la inducerea unor seturi specializate de gene, promovează adaptarea rapidă a populațiilor bacteriene la condițiile de mediu în schimbare și supraviețuirea lor în condiții naturale.

Reglementarea QS a fost descoperită și descrisă pentru prima dată la începutul anilor 1970 într-o bacterie marine luminoasă Vibrio fischeri. În această bacterie, este codificată capacitatea de bioluminiscență datorită sintezei luciferazei lux operon ( luxCDABE), iar bioluminiscența are loc numai la o densitate mare a populației bacteriene (până la 10¹¹ celule/ml). V. fischeri trăiește în simbioză cu unele animale marine, într-un organ de lumină specializat al animalului. În această asociere simbiotică, animalul gazdă oferă bacteriei un mediu nutritiv bogat, iar bacteria gazdă oferă lumină. Fiecare organism eucariot folosește lumina în scopurile sale specifice. De exemplu, un melc Eurymna scolopes luminându-te cu V. fischeri, nu aruncă umbre în lumina lunii și a stelelor, ceea ce o ajută să scape de dușmani. Un pește Monocentris japonicus folosește lumina pentru a atrage un partener [pe 3].

Multă vreme s-a crezut că reglementarea QS este un caz foarte rar, cu toate acestea, în ultimii ani a devenit clar că acest tip de reglementare este larg răspândit în bacteriile din diferite grupuri taxonomice. Până în prezent, reglementarea QS a fost găsită la peste 50 de specii de bacterii. O mare varietate de compuși sunt utilizați de bacterii ca autoinductori ai sistemelor QS; numărul de IA nou descoperite este în creștere. În același timp, un tip de bacterii poate folosi și recunoaște mai mult de un tip de molecule de semnalizare.

S-a demonstrat acum că sistemele de reglementare de tip QS joacă un rol cheie într-un număr mare de procese celulare bacteriene. Ele sunt implicate în interacțiunea multor bacterii cu organisme superioare, animale și plante, în reglarea virulenței bacteriene, în formarea de biofilme, în reglarea expresiei genelor asociate cu sinteza diferitelor exoenzime, toxine, antibiotice și alți metaboliți secundari, conjugarea etc. și analiza proteomică a arătat că sistemele QS funcționează ca factori de reglementare la nivel mondial. Studiul sistemelor de reglementare QS, rolul lor în metabolismul și interacțiunea bacteriilor definește o abordare complet nouă a studiului comportamentului bacteriilor în condiții naturale; aceste studii pot avea o mare importanță practică.

Rolul sistemelor QS este deosebit de mare în reglarea proceselor de interacțiune dintre bacteriile patogene și organismul gazdă eucariot. Procesul infecțios are loc atunci când se ajunge la populații suficient de mari de bacterii patogene; în același timp, o creștere a concentrației de molecule de semnalizare în mediu duce la o sinteză sincronă a factorilor de virulență care contribuie la distrugerea țesuturilor corpului. O astfel de strategie contribuie la depășirea cu succes a răspunsului imun al organismului gazdă de către bacterii.

Capacitatea bacteriilor de a forma biofilme este un factor esențial în patogenitatea lor. Biofilmele sunt structuri fizice cu caracteristici unice formate din comunități microbiene legate de suprafață. Formarea biofilmelor este una dintre principalele strategii care cresc supraviețuirea bacteriilor în mediu, inclusiv a organismului gazdă. Capacitatea bacteriilor de a exista în compoziția biofilmelor creează mari dificultăți pentru practica medicală, deoarece aceasta crește semnificativ rezistența bacteriilor la acțiunea medicamentelor antibacteriene, precum și la efectele dezinfectanților, factorilor de mediu nefavorabili, cum ar fi scăzut sau niveluri ridicate de pH, forță osmotică mare etc. și acțiunea apărării imune a organismului gazdă. Formarea de biofilme bacteriene pe echipamentele implantabile (de exemplu, catetere, valve cardiace artificiale, lentile etc.) este cauza unui număr de boli cronice severe care sunt extrem de dificil de tratat. S-a demonstrat că reglementarea QS joacă un rol critic în formarea biofilmului.

Faptul că QS poate fi un factor important în reglarea virulenței bacteriene a condus la o nouă linie de cercetare legată de utilizarea reglementării QS ca potențială țintă pentru combaterea bolilor infecțioase. Se presupune că suprimarea sistemelor QS poate oferi noi tratamente, ducând la conversia efectivă a bacteriilor patogene în bacterii nepatogene fără utilizarea antibioticelor și a altor medicamente utilizate în mod obișnuit. Această abordare este în prezent considerată o nouă strategie promițătoare de terapie antimicrobiană. Un număr mare de laboratoare caută și studiază substanțe care suprimă QS. Mai jos vom lua în considerare sistemele QS cunoscute în bacterii și perspectivele creării de medicamente de nouă generație care vizează direct suprimarea patogenității bacteriilor.

Cvorumsimțind sisteme în bacterii lormecanisme moleculare

acțiunile lor

QSsisteme bacteriene gram-negativeLuxI- LuxRtip.

În bacteriile gram-negative, sistemele QS care funcționează cu participarea autoinductorilor de lactone N-acil-homoserin (AHL sau AI-1) sunt cel mai bine studiate. AHL-urile includ un inel de lactonă homoserină și grupări acil pendante. Au fost descrise mai mult de 40 de AHL, care diferă în lungimea lanțurilor de acil din moleculă. Specificitatea acțiunii AHL este determinată de numărul de grupări acil (de la C4 la C16) și de prezența unor grupări suplimentare. AHL-urile care conțin lanțuri de acil scurte difuzează liber prin membranele celulare; AHL-urile cu lanțuri lungi de acil necesită transport activ pentru a ieși din celule. AHL-urile interacționează cu proteinele reglatoare omoloage proteinei LuxR Vibrio fischeri, care alcătuiesc familia de proteine ​​asemănătoare LuxR. Moleculele acestor proteine ​​conțin două domenii care determină legarea proteinei de AHL și de ADN. Atașarea AHL modifică configurația proteinei asemănătoare LuxR, astfel încât aceasta să se poată lega de ADN și să funcționeze ca un activator de transcripție.

S-adenozil metionina (SAM) (formarea inelului de lactonă homoserină) și ACP, un purtător de grupă acil, sunt implicate în biosinteza AHL în mai multe bacterii studiate în acest sens.

Sistemele QS, care funcționează cu participarea AHL, se găsesc într-un număr mare de bacterii gram-negative, inclusiv genuri. Agrobacterium, Aeromonas, Burkholderia, Cromobacteriile, Citrobacter, Enterobacter, Erwinia, hafnie, pantoea, Pseudomonas, Ralstonia, Rhodobacter, Rhizobium, Serratia, Vibrio, Yersinia etc. Printre acestea se numără bacteriile patogene şi fitopatogenice.

Reglementarea QS a fost studiată în cel mai detaliu. lux operon Vibrio fischeri. Acesta implică două componente principale de reglare: 1) proteina LuxI (sintaza

autoinductor) este responsabil pentru producerea de N-(3-oxohexanoil)-homoserina lactona (3OC12-HSL); 2) Proteina LuxR atașează autoinductorul și apoi complexul LuxR-3OC12-HSL, legându-se de promotor lux operonul, își activează transcripția, ceea ce duce la sinteza luciferazei și la emisia de lumină. Când cultura Vibrio fischeri crește, 3OC12-HSL se acumulează la un nivel de prag care este suficient pentru a activa LuxR, legându-l de regiunea promotor lux operon și inducerea acestui operon. pentru că gena sintazei a autoinductorului LuxI face parte din acest operon, cantitatea de AI în aceste condiții crește brusc, ceea ce duce la o inducție ulterioară lux sinteza operonilor si luciferazei.

Dintre bacteriile patogene, sistemele QS sunt cele mai bine studiate. Pseudomonas aeruginosa. În cuști Pseudomonas aeruginosa, patogen uman oportunist care provoacă infecții severe ale tractului respirator, un număr mare de gene, inclusiv gene responsabile de sinteza factorilor de virulență, sunt activate de două sisteme QS de tip LuxI-LuxR: LasI-LasR și RhlI-RhlR. Proteina LasI este responsabilă pentru producerea de autoinductor N-3(oxododecanoil) homoserin lactonei (3OC12-HSL), proteina RhlI este o sintază a N-butanoil-homoserin lactonei (C4-HSL), participă la reglarea formării biofilmului. Sistemul LasI-LasR reglează sinteza factorilor de virulență secretați responsabili de distrugerea țesuturilor gazdă la inițierea unui proces infecțios: elastaza, codificată de genă. lasB, o protează codificată lasA, o exotoxină codificată toxA, fosfatază alcalină codificată de genă aprA. Sistemul LasR-LasI QS activează, de asemenea, expresia genică a celui de-al doilea sistem QS P. aeruginosa, RhlI-RhlR, ducând la inducerea acestuia. Complexul proteic RhlR cu autoinductorul C4-HSL corespunzător induce expresia a două gene reglate de sistemul QS de primul tip, lasBȘi aprA, Și. încă câteva gene importante pentru virulența bacteriilor și supraviețuirea lor în condiții naturale. S-a demonstrat că expresia a peste 600 de gene P. aeruginosa controlat de QS.

S-a demonstrat că 3OC12-HSL poate avea un efect direct asupra organismului: moleculele 3OC12-HSL interacționează cu componente ale sistemului imunitar, cum ar fi interleukinele, modulând răspunsul imun al organismului la infecție. P. aeruginosa; inhibă proliferarea limfocitelor, diferențierea celulelor T, producerea de citokine, reduce producția de factori de necroză tumorală; injecțiile cu acest compus au indus un proces inflamator la șoareci.

La P. aeruginosa a fost descoperit un autoinductor de altă natură - 2-heptil-3-hidroxi-4-chinolonă (numită PQS). PQS reglează parțial expresia genei elastazei lasBîmpreună cu cele două sisteme QS descrise mai sus. Expresia PQS necesită proteina LasR, iar PQS, la rândul său, activează transcripția genei rhlI.

Astfel, sistemele QS sunt implicate în controlul virulenței P. aeruginosa într-o reţea complexă, ierarhică de reglementare.

Microscopia pulmonară a pacienților cu fibroză chistică (FC) a constatat că P. aeruginosa trăiește acolo mai ales în compoziția biofilmelor. S-a demonstrat că celulele P. aeruginosa, ținând lasI mutație, nu formează biofilme mature, formarea biofilmelor se oprește în stadiul de microcolonii. Aceste mutații ar putea fi completate prin adăugarea exogenă a autoinductorului 3OC12-HSL. Cercetări efectuate cu P. aeruginosa a arătat că formarea biofilmului poate fi cel mai important factor în colonizarea plămânilor de către acest agent patogen.

O altă bacterie patogenă în care este studiat în mod activ rolul QS în reglarea virulenței Burkholderia cepacia, conține sistemul CepI-CepR QS implicat în reglarea factorilor de patogenitate (exoprotează, siderofori). Sinteza autoinductorilor QS de reglare a N-octanoil-homoserin lactonei (C8-HSL) și N-hexanoil-homoserin lactonei (C6-HSL) în această bacterie este foarte slabă. A fost aratat. că în majoritatea cazurilor la pacienții cu fibroză chistică, plămânii au fost infectați în același timp B. cepacia Și P. aeruginosa. În același timp, comunicarea între specii între aceste bacterii ar putea spori patogenitatea. B. cepacia. Astfel, adăugarea de fluid de cultură P. aeruginosa la culturi B. cepacia a condus la o creștere semnificativă a activității exoproteazei și a producției de siderofori. Acesta a fost primul exemplu în care o bacterie ar putea regla producția de factori de patogenitate prin sinteza AI de către o altă bacterie. Studiul unor astfel de caracteristici ale comportamentului bacteriilor în condiții naturale deschide noi aspecte care sunt importante pentru epidemiologie. Într-adevăr, epidemiologia nu ține cont de situații atât de posibile când interacțiunea bacteriilor nepatogene producătoare de AHL și bacteriilor slab patogene (sau practic nepatogene în condiții date) poate duce la dezvoltarea infecției. Datele disponibile în prezent ridică puternic problema necesității unor studii serioase ale comunicării diferitelor bacterii în condiții naturale și mecanismele moleculare ale unei astfel de comunicări.

QSîn bacterii Gram pozitive

În bacteriile Gram-pozitive, mai multe sisteme implicate în controlul virulenței în Stafilococ aureus, în reglementarea competenței (adică, capacitatea de a accepta ADN exogen în timpul transformării) în streptococ pneumoniae, reglementarea competenţei şi sporulării în bacil subtilis. Peptidele secretate, AIP, sunt utilizate ca autoinductori ai sistemelor QS în bacteriile Gram-pozitive. Printre acestea se numără peptide liniare și peptide care conțin un inel de tiolactonă. Sunt recunoscuți de receptori specifici, histidin kinazele senzoriale bicomponente legate de membrană. Moleculele de semnalizare a peptidelor nu difuzează prin membrana celulară; Aparent, exportatorii de peptide sunt responsabili pentru eliberarea lor din celulă în mediu. În cele mai multe cazuri, are loc procesarea și modificarea peptidelor. Diverse bacterii Gram-pozitive sintetizează diverse molecule de semnalizare peptidică. Mecanismul de semnalizare funcționează printr-o cascadă de fosforilare/defosforilare. Kinaza senzorială este fosforilată, după care gruparea fosforil este transferată la proteina corespunzătoare - regulatorul răspunsului. Regulatorul răspunsului fosforilat se leagă de ADN și activează transcripția genei țintă.

Cel mai bine studiat sistem este QS Stafilococ aureus. S. aureus folosește o strategie bifazică pentru infecția gazdei. La o densitate scăzută a populației bacteriilor (prima etapă a infecției), celulele produc factori proteici care promovează atașarea și colonizarea acestora; la o densitate mare a populației (a doua etapă), bacteriile reprimă sinteza acestor factori, iar în ei începe secreția de toxine și proteaze; această etapă este reglementată de sistemul Agr QS. Sistemul include peptida autoinductoare AIP și agrBDCA-operon. Gene agrD codifică AIP, gene agrCȘi agrA- două proteine ​​cu două componente, kinaze senzor, AgrC și AgrA. Gene agrB codifică o proteină care exportă și modifică AIP (adaugă un inel de tiolactonă). Legarea AIP la AgrC duce la fosforilarea AgrA. AgrA fosforilată induce expresia ARN-ului de reglare (ARNIII), care reprimă expresia factorilor de adeziune celulară în timpul celei de-a doua etape a infecției. AgrA activat induce, de asemenea, expresia agr operon, care determină inducerea sintezei AIP.

Sunt cunoscute patru grupuri S. aureus, sintetizând AIP-uri cu secvenţe diferite. Interesant este că fiecare tip de AIP își activează propriul receptor AgrC, dar inhibă activarea proteinelor receptorului în celelalte trei grupuri datorită legării competitive la aceste proteine; ca urmare, AIP-ul fiecărui grup de stafilococi suprimă activarea cascadei de virulență a celor trei grupuri rămase. S. aureus. În conformitate cu această strategie, peptida stafilococică AIP II purificată suprimă virulența S. aureus grupa I în infecția la șoareci.

Al doilea mecanism QS, care funcționează în S. aureus, include proteina RAP (aka proteina L2 ribozomală) și proteina TRAP; acesta din urmă este un factor de transcripție citoplasmatic. TRAP în stare fosforilată activează ARN III; fosforilarea acestuia este stimulată de proteina RAP. Virulenţă S. aureus poate fi inhibată de peptida RIP (peptida de inhibare a ARN III). Peptida RIP inhibă fosforilarea proteinei TRAP, ceea ce duce la inhibarea sintezei ARN III, ceea ce duce la suprimarea sintezei toxinelor și la o scădere a virulenței celulare. Fosforilarea TRAP poate fi, de asemenea, inhibată în prezența AIP; aceasta arată că o rețea complexă de transducție a semnalului este implicată în reglarea patogenezei S. aureus.

La alte bacterii gram-pozitive, streptomicetele, printre care se numără principalii producători de substanțe antibiotice utilizate în medicină, sunt utilizați ca autoinductori ai sistemelor QS compuși de altă natură, γ-butirolactone. QS la aceste bacterii este implicat în reglarea diferențierii lor morfologice și producerea de metaboliți secundari. Interesant este că moleculele de semnalizare ale streptomicetelor sunt similare structural cu lactonele N-acil0-homoserine ale bacteriilor Gram-negative. Nu se știe, totuși, dacă există o comunicare în natură între aceste grupuri de bacterii îndepărtate din punct de vedere taxonomic folosind aceste molecule de semnalizare.

QSsistem autoinductorAI-2

Autoinductorul AI-2 a fost descoperit pentru prima dată în celule Vibrio harveyi; este un compus cu o structură neobișnuită, un diester de borat de furanozil. AI-2 se acumulează în a doua jumătate a fazei de creștere exponențială, dar conținutul său scade brusc când cultura intră în faza staționară.

Sintaza AI-2 este proteina LuxS codificată de genă luxS; genele luxS foarte omoloage între bacterii. De fapt, gena luxS prezent în jumătate din toți genomurile bacteriene secvențiate.

AI-2 este produs din S-adenosilmetionină în trei etape; Substratul pentru LuxS sintaza este S-adenozil-homocisteina, care este transformată în continuare în adenină, homocisteină și 4,5-dihidroxi-2,3-pentandionă (DPD). Din DPD, un produs foarte reactiv care se rearanjează cu ușurință și intră în reacții suplimentare, se pot forma molecule semnal, care tipuri diferite bacteriile sunt recunoscute ca AI-2. Recent, structura unei alte molecule de semnalizare, AI-2, a fost determinată în Salmonella typhimurium; această substanță de natură furan diferă de AI-2 V. harveyi, inclusiv, nu conține atom de bor. S-a demonstrat că aceste două AI-2 și precursorii lor derivați din DPD pot fi în echilibru în condiții naturale și se pot interconverti cu ușurință. Se presupune că apariția borului în molecula AI-2 V. harveyi se poate datora concentrației mari a acestui element în apa de mare, unde trăiește această bacterie; în acelaşi timp, concentrarea sa în habitat S. typhimurium mult mai jos. Prezența borului în molecula AI-2 V. harveyi și absența acesteia în AI-2 S. typhimurium, aparent esenţiale pentru acţiunea acestor autoinductori în celulele organismelor care îi produc.

Astfel, aceste încă puține studii ale sistemelor QS, inclusiv autoinductori de tip AI-2, au arătat că, folosind o cale de biosinteză conservatoare folosind enzima LuxS, bacteriile sintetizează intermediari ai moleculelor de semnalizare, a căror soartă ulterioară poate fi determinată de caracteristicile mediului.

La Vibrio harveyi proteina senzorului receptor este LuxP, care leagă direct AI-2. Complexul LuxP-AI-2 interacționează cu histidin kinaza legată de membrană LuxQ. La densități scăzute ale populației bacteriene, LuxQ este fosforilat și fosfatul este transferat la proteina citoplasmatică LuxU și apoi de la această proteină la proteina reglatoare de legare a ADN-ului LuxO. Apoi, are loc un lanț complex de evenimente, incluzând activarea genelor care codifică cinci ARN-uri reglatoare mici de către proteina fosfo-LuxO și subunitatea sigma 54 a ARN polimerazei; acești ARN interacționează cu proteina chaperonă a ARN-ului Hfq, ducând la legarea și destabilizarea ARNm care codifică activatorul transcripției LuxR. LuxR este necesar pentru activarea transcripției lux operon Vibrio harveyi; la ARNm cu densități scăzute de populație bacteriană luxR se degradează și, ca urmare, nu există bioluminiscență. La densități mari de populație bacteriană, cantitatea de AI-2 crește foarte mult, ceea ce duce la defosforilarea proteinei LuxO. LuxO nefosforilat nu poate induce expresia ARN-urilor reglatoare mici. Ca rezultat, traducerea ARNm devine posibilă. luxR, sinteza proteinelor LuxR și bioluminiscența. Astfel, acumularea de AI-2 provoacă în cele din urmă activarea expresiei genelor lux operon. De mare interes este faptul că în regulament lux operon V. harveyi Iau parte trei tipuri de autoinductoare sisteme QS care interacționează între ele: AI-2, AHL (tab.) și CAI-1.

În prezent, problema rolului AI-2 ca moleculă de semnalizare și reglator al expresiei genelor în diferite bacterii rămâne insuficient studiată și necesită cercetări suplimentare.

În ceea ce privește bacteriile patogene bazate pe studiul mutanților cu o genă inactivată lux S, această genă, despre care se crede că este gena sintazei AI-2, s-a dovedit a fi implicată în reglarea expresiei genelor asociate cu virulența tulpinilor enteropatogene. E. coli, Vibrio holerae, streptococ piogenes. Sistemele QS de acest tip sunt regulatori globali ai expresiei genelor bacteriene; așa că s-a arătat că lux S este implicat în reglarea transcripției a 242 de gene E. coli, constituind 5,6% din genomul acestei bacterii.

Printre bacteriile familiei Enterobacteriaceae Sistemele QS de tip II sunt cele mai bine studiate în E. coli Și S. typhimurium. La S. typhimurium gene care codifică un tip de receptor AI-2 diferit de receptorul AI-2 LuxP au fost găsite în V. harveyi. Este un transportor dependent de ATP numit LsrB (pentru reglat de LuxS). Același receptor AI-2 a fost găsit la alți membri ai familiei Enterobacteriaceae. Odată în interiorul celulei, AI-2 este fosforilat și se leagă de proteina LsrR. În absența AI-2, proteina LsrR se reprimă lsr operon. AI-2 se acumulează în a doua jumătate a fazei de creștere exponențială, conținutul său în mediu scade brusc când cultura intră în faza staționară. Celulele E. coliȘi S. typhimurium import AI-2 la trecerea la faza staționară folosind transportorul Lsr.

Pe baza studiului efectului mutațiilor care inactivează gena lux S, s-a ajuns la concluzia că LuxS sintaza este implicată în reglarea expresiei genelor asociate cu virulența la tulpinile patogene. E. coli EHEC și EPEC - controlează expresia sistemului de secreție de tip III, care este codificat de genele locusului LEE, este implicat în reglarea migrației celulare, formarea de biofilme, sinteza toxinelor etc. Analiza transcriptomului a arătat că LuxS este un regulator global al EHEC, controlând expresia a peste 400 de gene. O mare cantitate de date a fost publicată care arată că mutațiile genei lux S duce la absența sintezei AI-2 și au un efect semnificativ asupra proceselor celulare ale diferitelor bacterii din familie. Enterobacteriaceae: S. marcescens, Serratia sp. , Erwinia carotovora Și amilovora.

Cu toate acestea, în experimentele de completare, mutații ale genei lux S atunci când se utilizează AI-2 izolat și sintetizat chimic, s-a constatat că nu toate fenotipurile depind de lux S , controlat direct de AI-2. Rolul de reglementare al AI-2 dovedit cu acuratețe pentru tulpina de bioluminiscență V. harveyi BB170 și expresie lsr-operon y S. typhimurium. Aceste rezultate indică faptul că datele privind efectul AI-2 asupra unor proprietăți ale celulelor care au fost considerate anterior dependente de sistemul QS de tip II ar trebui reconsiderate, ținând cont de faptul că sinteza AI-2 nu este singura funcție a sintetazei LuxS. În celulele bacteriene cu gene inactivate lux S acumulează S-ribosil-homocisteină, deoarece nu este scindată în continuare la homocisteină și DPD. În acest caz, nivelul de homocisteină, care este necesar pentru sinteza metioninei, scade brusc în celulă, iar celula va folosi alte modalități de formare a acesteia, în special prin oxaloacetat. Prin urmare, modificări în expresia diferitelor gene în lux S-mutanții pot fi determinați nu (sau nu numai) de reglarea QS, ci și de tulburări grave ale metabolismului bacterian, provocând efecte pleiotrope.

Pentru a răspunde la întrebarea dacă influența lux S-mutanți pentru diferite fenotipuri bacteriene cu absența funcționării sistemelor QS bazate pe AI-2 sau este rezultatul efectelor pleiotrope în tulburările metabolice, a fost efectuată o analiză a bazelor de date genomice pentru prezența genelor cunoscute. Receptorii AI-2 (receptorul LuxP Vibrio harveyiși receptor Lsr S. typhimurium) S-a sugerat că dependența fenotipurilor de reglarea QS de tip II este limitată predominant la organismele purtătoare de gene ale receptorului AI-2 și la variația fenotipică în lux S mutanții care nu conțin aceste gene pot fi explicați prin tulburări ale metabolismului celular. Analiza genomică a făcut posibilă stabilirea prezenței receptorilor AI-2 asemănători Lsr la membrii familiei Enterobacteriaceae, ca E. coli, Photorhabdus luminescens, Klebsiella pneumoniae,Yersinia spp., Shigella dysenteriaeȘi Shigella flexneri, Salmonella spp.

Nu s-au găsit omologi ai receptorilor AI-2 cunoscuți în băncile de secvențe de gene și proteine ​​​​publicate ale bacteriilor din gen. SerratiaȘi Erwinia. Deși nu este surprinzător, absența kinazei senzorului cu două componente LuxPQ (acest receptor a fost găsit până acum doar la membrii familiei Vibrionaceae), absența complexului Lsr-receptor din genomul acestor bacterii a fost o surpriză. Acest fapt ridică îndoieli serioase cu privire la existența în ele a sistemelor QS care funcționează cu participarea AI-2 și sugerează un rol predominant metabolic al LuxS în aceste bacterii. Deși, desigur, nu se poate exclude posibilitatea ca aceștia să nu fi studiat încă receptorii AI-2.

Astfel, funcțiile substanțelor de tip AI-2 pot fi diferite în diferite bacterii. Cu toate acestea, chiar și în acele cazuri în care aceste substanțe din compoziția sistemelor QS nu sunt regulatori ai expresiei genei celulei gazdă, ele pot, fiind eliberate în mediu, să participe la reglarea proceselor celulare ale altor bacterii din populație, desfășurându-și comunicare. Relații similare au fost demonstrate pentru populațiile bacteriene mixte artificiale constând din celule E. coliȘi V. harveyi, precum și V. holerae, care poate coexista cu E. coli în corpul uman.

Sisteme QS care utilizează un autoinductorAI-3 și hormoni

AI-3 a fost descris pentru prima dată ca o componentă a mediului de cultură utilizat al tulpinii patogenului EHEC, care a activat expresia genelor responsabile de aderența bacteriilor la celulele eucariote. Experimentele privind studiul structurii AI-3 au arătat că acest compus este de natură aromatică, s-a sugerat că natura aminoacizilor AI-3. Cu toate acestea, structura și mecanismul complet de sinteză a acestei molecule de semnalizare nu au fost încă determinate. Se presupune că, ca și în cazul AHL, există o întreagă familie de compuși similari cu AI-3. S-a demonstrat că sinteza AI-3 este independentă de genă lux S în E. coli, spre deosebire de sinteza AI-2. S-a descoperit că AI-3 activează transcripția genelor de virulență a locusului LEE în tulpinile EHEC. E. coli. Pentru determinarea AI-3 s-au obținut biosenzori - tulpini E. coli K-12 care conține constructe în cromozom bazate pe genele locusului LEE și a genei reporter lac Z. Cu ajutorul biosenzorilor, s-a constatat că diverse bacterii ale microflorei intestinale, tulpini nepatogene E. coli Și Enterobacter cloacaeși specii patogene Shigella, Salmonella Și Klebsiella, sintetiza

Pentru ca AI-3 să funcționeze E. coli este necesar un sistem cu două componente, inclusiv senzorul kinaza QseC și regulatorul de răspuns QseB. În prezența AI-3 în spațiul periplasmatic, QseC este mai întâi fosforilat, apoi transferă fosfatul la QseB, care se leagă de promotorii corespunzători și activează expresia propriei sale gene și gene. flhDC-operon responsabil de sinteza flagelilor. AI-3 este, de asemenea, implicat în reglarea genelor locusului LEE. S-a descoperit că un sistem cu două componente, numit QseEF, este responsabil pentru reglarea acestor gene.

Sistemele QseCB și QseEF, în plus față de AI-3, răspund la o altă clasă de molecule de semnalizare, hormoni catecolamine, în special epinefrină/norepinefrină (sau epinefrină/norepinefrină), sintetizate de organismul gazdă. Analiza genomului bacterian a arătat că cascadele de semnalizare AI-3/epinefrină/norepinefrină sunt prezente într-un număr mare de specii bacteriene.

QSsi apoptoza la bacterii.

Pe lângă sistemele QS descrise mai sus, E. coli a fost descoperit sistemul QS, care funcționează cu participarea peptidelor ca molecule de semnalizare, care este implicată în reglarea apoptozei bacteriene. Apoptoza sau moartea celulară programată (PCD) este un program determinat genetic de moarte celulară în organismele eucariote multicelulare. PKC contribuie la funcționarea normală a sistemului biologic, eliberându-l de celulele deteriorate care și-au încheiat ciclul de viață sau apar ca urmare a mutațiilor celulelor potențial periculoase. Sisteme cu o funcție similară au fost găsite și la procariote. Moartea unei părți a populației celulare poate fi considerată un analog procariotic al apoptozei. bacteriile în condiții de oprire a creșterii populației, de exemplu, în faza staționară a creșterii când substratul nutritiv este epuizat sau sub influența factorilor de stres. Ca urmare a morții și autolizei unor celule, celulele vii rămase pot folosi produsele autolizei ca substrat nutritiv și pot continua să crească, sintetizând componentele celulare necesare, ceea ce este util pentru supraviețuirea populațiilor bacteriene. PCD poate facilita schimbul de informații genetice într-o populație bacteriană prin eliberarea ADN-ului ca rezultat al lizei celulare. În plus, distrugerea celulelor cu leziuni ale aparatului genetic este, de asemenea, benefică pentru populația bacteriană.

Mecanismele genetice ale PCD în sistemele procariote nu au fost pe deplin elucidate. S-a acordat multă atenție studiului sistemelor toxină-antitoxine (sisteme TA) găsite în E coliși alte bacterii. Modulele TA constau dintr-o pereche de gene în genomii bacterieni: o genă care codifică o toxină stabilă care provoacă moartea celulelor și o genă care codifică o antitoxină labilă care inhibă activitatea toxinelor; genele toxinelor sunt co-transcrise cu genele antitoxinelor corespunzătoare din cadrul aceluiași operon.

Sistem E. coli maz EF este unul dintre cele mai studiate sisteme TA. Gene maz F codifică o proteină citotoxică stabilă și maz E este o antitoxină instabilă degradată de serin proteaza ClpAP dependentă de ATP. Toxina MazF este o endoribonuclează care scindează de preferință ARNm monocatenar din secvența ACA și acționează, de asemenea, asupra ARN-ului 16S din centrul de decodare al subunității 30S a ribozomului, ducând la inhibarea sintezei proteinelor. Atâta timp cât MazE și MazF sunt co-exprimate, MazE interacționează cu MazF pentru a neutraliza efectele sale toxice. În celulele în creștere normală, toxina și antitoxina formează un complex stabil, care împiedică toxina să își exercite efectul toxic. În condiții stresante care împiedică exprimarea maz Operonul EF, proteazele induse de stres degradează MazE și, ca rezultat, toxina MazF stabilă poate acționa asupra ARN-urilor celulare, ducând la moartea celulelor și la autoliza majorității populației.

maz Apoptoza mediată de EF depinde de densitatea populației, este reglată de factorul QS EDF (factor de moarte extracelular, factor de moarte extracelular). EDF este o pentapeptidă liniară Asn-Asn-Trp-Asn-Asn. S-a descoperit că EDF crește activitatea MazF în vitro. În același timp, activarea MazF a condus la o creștere a sintezei EDF, care, la rândul său, a provocat o creștere a morții celulare în condiții de stres. A fost găsită o legare directă specifică site-ului a EDF și MazF. Rezultatele studiilor efectuate arată că sistemul QS implicat în reglarea apoptozei în E. coli, este fundamental diferit de sistemele QS descrise mai sus Enterobacteriaceae: 1) EDF este singura moleculă de semnalizare peptidică găsită în E. coli; 2) majoritatea moleculelor cunoscute implicate în funcționarea QS controlează expresia genei la nivel transcripțional și EDF la nivel post-transcripțional.

Recent, au fost descoperite mai multe peptide QS mici care diferă ca secvență de aminoacizi de EDF sintetizat de o bacterie gram-negativă. Pseudomonas aeruginosași gram pozitive bacil subtilis, care ar putea fi implicat în reglarea morții celulare controlată de maz EF . Fiecare dintre aceste peptide, în ciuda diferențelor de structură, a activat activitatea endoribonucleolitică a MazF. E. coli, interacționând aparent cu diferite site-uri de pe această proteină. Astfel, a fost descoperită familia QS de peptide EDF, care poate deveni ulterior baza pentru obținerea unui nou tip de regulatori care să activeze PKC.

Sistemele QS de mai sus și autoinductoarele implicate în funcționarea lor nu epuizează toate cele cunoscute în prezent; numărul noilor deschise este în continuă creștere.

inhibitieQSsisteme de bacterii - o nouă abordare a creării de medicamente împotriva patogenității

Una dintre cele mai importante probleme ale medicinei moderne este răspândirea tot mai mare a agenților patogeni bacterieni rezistenți la medicamentele tradiționale. Această problemă este ilustrată în mod clar mai ales de răspândirea largă a infecțiilor spitalicești, care acum sunt înregistrate în secțiile de terapie intensivă la peste 20% dintre pacienți. Răspândirea formelor de bacterii patogene rezistente la medicamente, care reduce eficacitatea și depreciază numărul tot mai mare de medicamente tradiționale utilizate în mod obișnuit, precum și necesitatea dezvoltării unor metode de suprimare a formării de biofilme de către bacterii ridică problema noilor strategii de combatere a bolilor infecțioase. , crearea de medicamente de nouă generație care afectează sistemele biochimice specifice ale microorganismelor.

În prezent, este general acceptat că una dintre cele mai promițătoare „ținte” de acest fel este reglementarea Cvorum Sensing. Sistemele QS, așa cum sa menționat mai sus, sunt implicate în reglarea virulenței bacteriene și în formarea de biofilme de către acestea.

Medicamentele care vizează suprimarea sistemelor QS sunt propuse a fi numite „otrăvuri de patogenitate”, deoarece. acestea, spre deosebire de medicamentele antimicrobiene clasice (în primul rând antibiotice), nu au un efect bactericid sau bacteriostatic asupra bacteriilor patogene și, prin urmare, nu creează presiune selectivă care să conducă la formarea unor forme de bacterii patogene rezistente la substanțele antibacteriene. Recent, în străinătate s-au înființat companii de biotehnologie, care își propun să dezvolte agenți care inhibă reglarea QS și, ca urmare, reduc patogenitatea bacteriilor și împiedică formarea de biofilme de către acestea.

Suprimarea funcționării sistemelor QS poate fi realizată în mai multe moduri.

1. Suprimarea sintezei autoinductoarelor QS sisteme.

După cum sa menționat mai sus, S-adenosilmetionina (SAM) este un substrat pentru sinteza sistemelor autoinductoare AHL și AI-2 QS de două tipuri. S-a demonstrat că diferiți analogi SAM, de exemplu, S-adenosilhomocisteina, S-adenosilcisteina au acționat ca inhibitori puternici ai sintezei AHL în Pseudomonas aeruginosa. Trebuie remarcat faptul că interacțiunea AHL sintetazei cu SAM pare să aibă loc într-un mod foarte specific, în ciuda faptului că SAM este un precursor comun în multe căi biochimice procariote și eucariote. Acest lucru ne permite să sperăm că analogii SAM pot fi utilizați ca inhibitori specifici ai sintezei autoinductorilor sistemelor de reglementare QS bacteriene care nu afectează enzimele eucariote.

S-a demonstrat că unele antibiotice - macrolide, inhibitori ai sintezei proteinelor la nivel ribozomal, au suprimat sinteza AHL și unii factori de virulență la concentrații care nu au inhibat creșterea bacteriană. De exemplu, concentrațiile subinhibitoare de eritromicină au suprimat sinteza AHL și a factorilor de virulență a hemolizinei, proteazelor și hemaglutininelor în Pseudomonas aeruginosa. Bacteriile tratate cu antibiotice au fost mai puțin virulente la șoareci. Aceste date au fost în concordanță cu rezultatele observațiilor clinice care arată eficacitatea utilizării de doze mici de eritromicină și alte macrolide în infecțiile cauzate de tulpini. P. aeruginosa, rezistent la aceste antibiotice. Azitromicina la o concentrație de 2 μg/ml, care nu inhibă creșterea P. aeruginosa, a inhibat sinteza AHL, precum și producerea de factori de virulență elastaze și ramnolipide. În același timp, adăugarea de AHL în cultură a dus în mod exogen la restabilirea producției acestor factori de virulență, arătând că sinteza AHL a fost ținta principală a antibioticului. Mecanismul de acțiune al antibioticelor macrolide asupra sintezei AHL rămâne neclar în prezent.

2. Inhibarea legării autoinductoarelor la corespunzătoare

proteine ​​reglatoare .

Suprimarea funcționării sistemelor de reglementare QS poate fi realizată utilizând molecule antagoniste autoinductoare care interferează cu legarea AI la moleculele proteinei receptorului. S-a demonstrat că astfel de inhibitori pot concura cu AHL; în acest caz, ei sunt similari structural cu molecula semnal autoinductor și se leagă la locul de legare AHL al proteinei receptorului, dar nu activează această proteină. Inhibitorii necompetitivi pot avea o asemănare mică sau deloc cu AHL; acești compuși se leagă la diferite locații ale proteinei receptor. În prezent, astfel de inhibitori sunt în curs de studiu; căutarea inhibitorilor competitivi se realizează folosind proiectarea computerizată.

Au fost obținute date privind inhibarea reglării QS de către analogii AHL care poartă modificări în diferite părți ale moleculelor AHL - în lanțurile acil și inelul homoserin lactonic. Lungimea lanțului acil s-a dovedit a fi esențială pentru activitatea AHL. Analogii AHL cu lanțuri acil mai lungi decât AHL nativ ar putea fi inhibitori ai activității sistemului QS. Înlocuirea grupărilor 3-oxo în moleculele AHL cu grupări 3-hidroxil sau metil, introducerea legăturilor nesaturate în lanțurile de acil duce la o scădere semnificativă a activității AHL.

Modificările inelului de lactonă homoserină al moleculelor AHL afectează semnificativ activitatea acestora. AHL-urile naturale sunt l-izomeri; în general, izomerii d nu prezintă activitate biologică. Prezența lanțului acil pare a fi esențială pentru activitatea biologică a AHL. Înlocuirea inelului de homoserină lactonă cu homocisteină lactonă a redus activitatea AI cu un ordin de mărime, iar înlocuirea cu inelul de homoserină lactam a dus la absența proprietăților activatoare sau antagoniste ale acestei molecule. Cu toate acestea, moleculele în care lactona homoserină este înlocuită cu tiolactonă homoserină pot păstra activitate în timpul funcționării unor sisteme QS.

La studierea acțiunii analogilor sistemului AHL Las P. aeruginosa cu substituții în inelul lactonic homoserinic, s-a demonstrat că atitudinea față de aceste substituții a fost diferită în cazul interacțiunii acestor analogi cu proteinele RhlR și LasR. Acest fapt poate indica faptul că două proteine ​​receptor P. aeruginosa diferă semnificativ în

locurile lor de legare AHL.

Recent, s-a acordat multă atenție antagoniștilor QS naturali ai autoinductorilor, derivaților de furanonă, inclusiv celor halogenați. S-au descoperit alge roșii australiene Delisea pulchra sintetizează diverse tipuri de furanone halogenate; producerea lor previne colonizarea acestei alge de către bacteriile marine, în care sistemul QS este implicat în reglarea proceselor metabolice, protejând astfel plantele de acțiunea bacteriilor. Furanones D. pulchra conţin un inel furan cu un lanţ acil substituit în poziţia C-3 şi atomi de brom în poziţia C-4. Înlocuirile la poziția C-5 pot varia. Furanonele din surse naturale sunt halogenate în diferite poziții cu atomi de brom, iod sau clor.

După descoperirea efectului furanonelor s-au format D. pulchra, în diverse laboratoare, s-a efectuat o selecție amplă a substanțelor de origine naturală și s-a realizat producerea de substanțe sintetizate chimic, derivați ai furanonelor, inhibitori QS. Printre aceștia s-au numărat și derivați de furanone cu lanțuri de acil de diferite lungimi. S-a demonstrat că chiar și un derivat de furanonă fără un lanț acil cu doi atomi de brom a fost un inhibitor al sistemului QS. P. aeruginosa. S-a constatat că derivații furanonei sunt produși de diverse organisme: alge marine verzi, roșii și brune, ciuperci, ascidie, actinomicete etc.

Studiul mecanismului de acțiune al acestor substanțe asupra sistemului QS a arătat că compușii de natura furanonei concurează cu AHL pentru locul de legare la proteinele receptorului de tip LuxR. Legarea furanonelor de proteina receptor afectează stabilitatea complexului proteină-ligand, ducând la scindarea rapidă a proteinei receptor.

Acțiunea furanonelor a dus la inhibarea proceselor celulare reglate de QS: bioluminescență Vibrio fischeri; producerea de factori de virulență, inclusiv formarea de biofilm și patogeneza P. aeruginosa; virulenţă Erwinia carotovora. Multe furanone sintetizate chimic au fost mult mai eficiente decât cele naturale. De mare interes este faptul că furanonele sintetice au fost active împotriva bacteriilor din biofilme la aceleași concentrații ca și împotriva reglării QS a bacteriilor planctonice, în contrast cu acțiunea antibioticelor clasice utilizate pentru combaterea infecțiilor. P. aeruginosa; în acest din urmă caz, concentrația antibioticului în timpul creșterii bacteriilor în biofilme ar fi trebuit să fie de 100-1000 de ori mai mare.

Utilizarea analizei transcriptomice a făcut posibilă determinarea faptului că adăugarea de compuși furanone la celule afectează expresia a 93 de gene P. aeruginosa PAO1; funcționarea a 80% dintre aceste gene a fost reglată cu participarea sistemelor QS, de exemplu, genele care codifică elastaza, proteaza LasA implicate în sinteza ramnolipidelor, fenazinelor, cianurilor și chitinazei.

S-a demonstrat recent că un derivat de furanonă este produs de alge D. pulchra, (5Z)-4-bromo-5-(bromometilen)-3-butil-2(5H)-furanonă, QS inhibat în celule Escherichia coli cu participarea autoinductorului AI-2; acest compus a inhibat, de asemenea, formarea de biofilm și a reprimat 56 de gene E. coli, dintre care 79% au fost induse de AI-2. Sub acțiunea acestui compus, concentrația extracelulară de AI-2 a fost redusă la jumătate; se presupune că acest efect a fost realizat la nivel post-transcripțional.

Datele de mai sus arată că derivații de furanonă sunt promițători pentru prepararea agenților terapeutici pe baza lor împotriva patogenității bacteriilor. Cu toate acestea, compușii testați în prezent cu acțiune inhibitorie a reglementării QS sunt toxici pentru uz medical. O sarcină urgentă este modificarea lor și căutarea unor substanțe noi, netoxice, pentru utilizare practică.

Bacteriile și organismele eucariote produc substanțe de altă natură care suprimă reglarea QS în bacterii - dipeptide ciclice (diketopiperazine); au fost menționați mai sus ca compuși capabili să activeze sistemul QS. De asemenea, se crede că aceștia interacționează cu situsurile de legare a AHL de pe proteinele receptorului.

3. Degradare AHL .

Degradarea autoinductorilor sistemelor QS este una dintre modalitățile promițătoare de a lupta împotriva infecțiilor bacteriene reglementate de aceste sisteme. Degradarea AHL se poate datora acțiunii enzimelor specifice bacteriilor și organismelor superioare; în plus, se pot descompune ca urmare a hidrolizei alcaline, la pH ridicat, la temperatură ridicată bacterii în creștere. Screeningul activ al enzimelor care degradează AHL, în primul rând lactonazele care degradează inelul lactonic homoserin, este în prezent în curs de desfășurare.

Lactonazele hidrolizând AHL au fost găsite în bacili; proteina corespunzătoare a fost numită AiiA. S-a demonstrat că prezența acestei enzime în celulele bacteriene determină în mare măsură capacitatea acestora de a suprima bacteriile fitopatogene, în care virulența este reglată de sistemele QS cu participarea AHL. Transferul genei recombinante AHL-lactonază în celule Pseudomonas fluorescens a crescut capacitatea tulpinii de a biocontrola bolile plantelor cauzate de bacteriile fitopatogenice. Mai mult, s-a demonstrat că plantele transgenice conţin gena introdusă aiiA, exprimate în plantă au fost semnificativ mai puțin sensibile la infecție Erwinia carotovora. Introducerea genelor aiiAîn celulele acestui fitopatogen a redus sinteza AHL și, ca urmare, a redus activitatea enzimelor pectolitice și manifestarea altor simptome de putrezire a plantelor. De asemenea, este investigat potențialul AHL acilazelor produse de bacterii de a degrada AHL.

Organismele superioare prezintă, de asemenea, mecanisme pentru degradarea specifică a AHL. De mare interes este dovezile că celulele epiteliale ale căilor respiratorii umane sunt capabile să inactiveze AHL. P. aeruginosa– 3OC12HSL, dar nu C4-HSL. Această inactivare pare a fi de natură enzimatică. Alte AHL sunt, de asemenea, degradate, cum ar fi C6-HSL. Capacitatea de a degrada AHL a fost găsită în unele celule de mamifere, dar nu în toate. Această descoperire deschide o nouă zonă de cercetare și ridică speranța că organismul uman are o altă linie de apărare împotriva infecțiilor bacteriene - prin interacțiunea cu reglarea QS a virulenței bacteriene.

Căutarea și studiul enzimelor care degradează autoinductorii sistemelor QS este o nouă modalitate promițătoare de a obține agenți terapeutici care vizează combaterea infecțiilor bacteriene.

4. Suprimarea QS sisteme de bacterii gram-pozitive.

Virulenţă Stafilococ aureus, controlate de sistemele QS, pot fi inhibate de peptidele RIP naturale, analogii lor sintetizați chimic și peptidele himerice. Aceste peptide concurează cu peptida RAP prin inhibarea fosforilării proteinei TRAP și, ca urmare, suprimă sinteza ARNIII, ceea ce duce la inhibarea virulenței bacteriene. S-a demonstrat că peptidele RIP inhibă formarea biofilmului in vivo. S. aureus Și S. epidermide. Eficacitatea peptidelor a fost demonstrată atunci când sunt utilizate ca model al diferitelor animale infectate cu S. aureus. Utilizarea concomitentă a peptidelor RIP și a antibioticelor a oferit un efect sinergic, ducând la supraviețuirea de 100% a șoarecilor infectați cu S. aureus. De asemenea, este posibil să se utilizeze efectul inhibitor al AIP asupra QS S. aureus, ce s-a spus mai sus.

Datele obținute confirmă utilizarea potențială a peptidelor care interacționează cu sistemele QS ale stafilococilor pentru combaterea infecțiilor clinice cauzate de aceste bacterii. O altă abordare pentru terapia antibacteriană a bacteriilor gram-pozitive este vaccinarea organismului cu proteine ​​- componente ale sistemului QS. De exemplu, s-a demonstrat că vaccinarea șoarecilor cu proteina RAP îi protejează împotriva infecției. S. aureus.

Concluzie

Studiile intensive ale reglementării Quorum Sensing efectuate în ultimii ani au arătat că sistemele QS efectuează reglarea globală a unui număr mare de procese celulare în bacterii din diferite grupuri taxonomice. Acest tip de reglementare pare să fie răspândit în bacterii. S-a găsit o gamă largă de regulatori cu greutate moleculară mică cu diferite structuri implicate în procesele de reglare QS; numărul compușilor identificați cu activitate similară este în creștere. Reglementarea QS necesită cu siguranță studii detaliate și aprofundate. putin studiat mecanisme moleculare funcționarea sistemelor QS de diferite tipuri; în multe cazuri nu este clar ce proprietăți ale bacteriilor sunt controlate de acești regulatori; Sistemele QS și rolul lor în metabolismul bacterian au fost studiate doar pentru un număr mic de bacterii.

Recent s-a demonstrat că autoreglatorii sistemelor QS funcționează nu numai în bacterii - influența lor asupra proceselor celulare a fost găsită și în organismele eucariote. Mai sus, influența directă a 3OC12-HSL (AHL implicată în reglarea virulenței P. aeruginosa) asupra unor proprietăţi ale celulelor de mamifere. S-a constatat că organismul vegetal ( Medicago truncatula) este capabil să răspundă la AHL-urile bacteriene (3OC12-HSL și, respectiv, 3OC16-HSL produse de agentul patogen P. aeruginosași simbiont de plante Sinorhizobium meliloti). Folosind proteomica, s-a determinat că aceste AHL provoacă schimbări globale în producția a peste 150 de proteine ​​vegetale. În plus, au indus secreția plantelor de substanțe care ar putea interacționa cu reglarea QS bacteriană, inhibând sau stimulând QS.

Aparent, organismele eucariote, plantele și animalele, în procesul de evoluție au dobândit capacitatea de a recunoaște semnalele QS și de a răspunde la acestea, producând substanțe similare structural cu aceste molecule semnal și fiind concurenți ai acestora, precum și sintetizând enzime care distrug aceste molecule semnal. Eucariotele pot folosi strategii terapeutice naturale împotriva colonizării și invaziei bacteriilor patogene, ducând la inhibarea proceselor determinate de QS.

Cele de mai sus indică faptul că studiul sistemelor de reglementare QS reprezintă un nou domeniu vast de activitate pentru cercetătorii din diverse domenii ale biologiei și medicinei; acest fenomen merită cea mai mare atenție a cercetătorilor. Identificarea și studiul sistemelor QS ale diferitelor microorganisme pot deschide multe lucruri noi în reglarea proceselor celulare.

O atenție deosebită este acordată studiului participării sistemelor QS la reglarea proceselor asociate cu patogenitatea bacteriilor. După cum sa arătat mai sus, rolul esențial al QS în reglarea sintezei factorilor de virulență în bacterii deschide posibilitatea unei abordări fundamental noi pentru crearea de medicamente pentru terapia antibacteriană - medicamente care vizează direct suprimarea reglementării QS și, ca rezultat , suprimând patogenitatea bacteriilor. În prezent, se efectuează o selecție intensivă și cercetarea efectelor diferitelor substanțe derivate din surse naturale și ca urmare a sintezei chimice asupra reglării QS și a expresiei genelor legate de QS. S-a constatat o interacțiune cu QS a substanțelor legate de polifenoli; deoarece polifenolii sunt distribuiți pe scară largă în regnul vegetal și se sugerează că aceștia pot fi importanți în protejarea plantelor de bacteriile patogene. S-a demonstrat că o serie de substanțe produse de plante sunt capabile să interacționeze cu sistemele QS; se studiază natura acestor substanţe.

În prezent, există toate motivele să credem că medicamentele care inhibă QS pot fi o alternativă promițătoare la medicamentele tradiționale de terapie antibacteriană pentru medicină, agricultură și tehnologia alimentară. Sau, cel puțin, vor putea spori efectul antimicrobian al medicamentelor utilizate. Lucrările în această direcție se desfășoară activ în multe laboratoare și companii din întreaga lume.

2.1. caracteristici generaleși mecanismul de detectare a cvorumului

Sistemul de comunicare intercelulară în microorganisme se numește sistem cvorum sensing (QS). Astăzi, sistemul QS este definit ca un sistem de expresie a genelor coordonate într-o populație, în funcție de indicele de densitate al acesteia, folosind molecule de semnalizare mici. După cum sa menționat mai sus, acest mecanism a fost descris pentru prima dată în 1970 de către Nilson într-o bacterie marine Vibrio fisheri ca sistem de reglare a bioluminiscenței. Inițial, sa presupus că acest mecanism de reglare este caracteristic doar unui număr mic de specii strâns înrudite ale genului. Vibrio, cu toate acestea, studii ulterioare au arătat prevalența pe scară largă a acestui mecanism de reglare în lumea microorganismelor. S-a descoperit că, cu ajutorul sistemului QS, microorganismele sunt capabile să regleze multe procese de viață, în special patogenitatea, metabolismul secundar, formarea de biofilm și multe altele. S-a demonstrat că sistemul QS se găsește nu numai în bacterii, ci și în unele eucariote inferioare, cum ar fi ciupercile asemănătoare drojdiei din genuri. CandidaȘi Criptococul. Mai mult, s-a dovedit că, cu ajutorul acestui sistem, microorganismele sunt capabile să interacționeze nu numai cu propria lor specie, ci și să realizeze o comunicare interregională, inclusiv cu eucariotele superioare.

În general, funcționarea sistemului QS se bazează pe o serie de principii cheie (Fig. 1):

1. 
   Utilizarea moleculelor de semnalizare mici - în sistemul QS, transmiterea semnalului de la o celulă la alta se realizează folosind molecule de semnalizare de natură chimică diferită.
2. 
   Prezența unor receptori specifici - molecule de semnalizare nu afectează direct expresia genelor țintă. Activarea genelor țintă are loc numai după legarea moleculelor de semnalizare la receptorii corespunzători.
3. 
   Influența densității populației celulare – sistemul QS este lansat numai după atingerea unei anumite valori a densității populației celulare, care se corelează cu concentrația moleculelor de semnalizare în mediul extern.
4. 
   Autoîntreținerea funcționării - controlul sintezei de noi molecule de semnalizare și receptori se realizează în același mod ca și pentru genele țintă în absența activării sistemelor de represiune.
5. 
   Prezența mecanismelor de reglare negativă selectivă - în celulele microorganismelor există atât gene QS de reglare negativă, cât și independente de acestea, ale căror produse sunt capabile să dezactiveze în mod selectiv legăturile întregi ale sistemului QS sau întregul sistem în ansamblu. .

Orez. 1. Schema generală de funcționare a sistemului de detectare a cvorumului.

Aceste principii sunt comune pentru aproape toate tipurile de sisteme QS, indiferent de organizarea lor structurală specifică. Lansarea sistemului QS coincide de obicei în timp cu stadiul incipient al creșterii exponențiale, care se caracterizează printr-o creștere rapidă a densității populației celulare. Exprimarea genelor țintă, dimpotrivă, începe de obicei cu ieșirea populației celulare în faza staționară și este de obicei complexă, adică implică începerea biosintezei aproape tuturor produselor reglementate de QS într-o perioadă scurtă de timp. timp. Astfel, etapele incipiente ale sistemului QS sunt să. asigurarea biosintezei moleculelor de semnalizare și a receptorilor acestora, până la un anumit punct, coincizând cu acumularea concentrației maxime de molecule de semnalizare în spațiul intercelular, la atingerea căreia funcționarea sistemului QS intră într-o stare de auto-susținere.

Mecanismele care stau la baza activării timpurii a sistemului QS nu au fost încă pe deplin elucidate. În ciuda faptului că au fost descoperite un număr mare de reglementatori diferiți, care sunt atribuite unui anumit rol în activarea timpurie a sistemului, multe întrebări rămân nerezolvate. În primul rând, nu este clar cum este reglată acumularea primară a moleculelor de semnalizare și a receptorilor acestora. Există o ipoteză că un anumit număr de molecule de semnalizare și receptori pentru ei sunt prezenți în mod constant în celule, iar acumularea lor primară are loc conform aceluiași mecanism de auto-susținere, în timp ce o parte din rezervorul intracelular al acestor compuși este cheltuită pentru sinteza de molecule de semnalizare și receptori. Restul este excretat din celule și, la atingerea concentrației de prag, este reabsorbit și declanșează expresia genelor țintă. Cu toate acestea, pe baza caracteristicilor funcționării unor tipuri de sisteme QS, acest lucru pare puțin probabil. James P. Pearson, dimpotrivă, consideră că lansarea inițială a QS este realizată cu ajutorul unor regulatori de transcripție nespecifici, cum ar fi MvaTȘi Vfr(V irulenta f actori r regulator) Pseudomonas aeruginosa, iar sistemul intră într-o stare de auto-susținere mult mai târziu.

2.2. Reacții de detecție a cvorumului la microorganismele Gram-pozitive

Sistemul clasic dependent de cvorum de peptide poate fi considerat sistemul responsabil pentru transferul conjugativ al plasmidelor în Enterococcus faecalisși speciile bacteriene înrudite. Acest sistem stimulează distribuirea în populația microbiană a trăsăturilor importante pentru interacțiunea dintre microorganism și animalul gazdă, precum și pentru eliminarea competiției. Plasmida pPDl purtată de sistemul dependent de cvorum este responsabilă de sinteza hemolizinelor, plasmida pCDl este responsabilă de formarea bacteriocinei, plasmida pCFlO este responsabilă de rezistență. E.faecalis la tetraciclină. Fiecare hexa- sau octa-peptidă induce aderența celulelor bacteriene și conjugarea lor cu transferul de la donor la primitor al unei plasmide specifice. De exemplu, octapeptida cPDl stimulează transferul conjugativ al plasmidei pPDl. Plasmida codifică un receptor situat pe proteina represoare a operonului corespunzător. Interacțiunea oligopeptidei cu receptorul determină disocierea represorului de ADN, declanșând astfel sinteza produsului corespunzător. Plasmida pPDl include, de asemenea, gena traC, al cărei produs este o proteină care facilitează pătrunderea peptidei prin peretele celular. Semnalele oligopeptidice sunt sintetizate intens de celulele care nu poartă plasmidele corespunzătoare (recipienți), în timp ce sinteza unor astfel de semnale este suprimată în celulele donatoare; în plus, plasmida codifică o peptidă inhibitoare.

Produsul plasmidei pPDl este peptida iPDl, HHaKTHBHpyiounmcPDl.

Un alt proces dependent de cvorum găsit în E.faecalis, este producerea a doi factori de virulență: gelatinaza (GelE) și serin proteaza (SprE).

Un exemplu de utilizare a unui semnal peptidic pentru interacțiunile intercelulare este sistemul de detectare a cvorumului, care controlează sinteza exotoxinelor în faza logaritmică târzie a creșterii în Staphylococcus aureus. În acest sistem, proteina AgrD este sintetizată ca un precursor constând din 46 de aminoacizi, care, în timpul exportului de către proteina AgrB, este transformat în AIP matur (peptidă autoinducătoare) constând din 8 aminoacizi. AIP este recunoscut de senzorul kinaza AgrC cu două componente, care transmite un semnal în celulă în timpul fosforilării regulatorului de răspuns, AgrA. AgrA~P activează transcripția genelor țintă, stimulează transcrierea operonului agrB, D, C, A (bucla de autoreglare pozitivă) și, de asemenea, „interzice” transcrierea genelor care codifică alte exotoxine. Pe baza diferențelor dintre AIP și receptorul său, tulpini S. aureus poate fi repartizat în patru sau mai multe grupuri. Oligopeptidele sintetizate de una dintre grupuri induc patogenitatea în acest grup și suprimă în mod specific sistemele de virulență Agr în alte grupuri.

Apariția competenței în faza logaritmică târzie a creșterii depinde de densitatea populației. Streptococcus pneumoniae. Gena comC codifică un precursor format din 41 de resturi de aminoacizi. Acesta din urmă este transformat într-o peptidă matură constând din 17 resturi de aminoacizi în procesul de interacțiune cu sistemul de export de peptide (sistemul ABC), care este format din produsele genelor comAB. Peptida contactează receptorul său de pe suprafața celulei, histidin kinaza, un produs al genei comD. Histidin kinaza activată fosforilează produsul genei comE. Pe măsură ce celulele se acumulează, numărul de semnale peptidice crește și atinge un nivel critic în mediu. În consecință, crește și cantitatea de proteină comE fosforilată, care, pornind de la o anumită concentrație, se leagă de promotorul operonului comCDE, stimulând activitatea acestuia (bucla de autoreglare pozitivă), activează promotorul operonului comAB (sistemul de export de proteine ​​din celulă) , activează operonul comX, care include întregul lanț de gene de competență tardivă; responsabil pentru legarea și absorbția ADN-ului în transformare și a tuturor celorlalte etape târzii ale transformării.

Pe lângă exemplele de mai sus de reacții de detecție a cvorumului la bacteriile gram-pozitive, trebuie remarcat faptul că, pe lângă oligopeptide, bacteriile gram-pozitive folosesc și substanțe de natură chimică diferită ca molecule de semnalizare. Deci, reprezentanții ordinului Actinomicetale Alături de moleculele semnal peptidice, s-au găsit substanțe cu natură moleculară scăzută, dintre care majoritatea conțin o grupă lactonă.

În streptomicete, butirolactonele și receptorii proteici corespunzători sunt implicați în sistemele de detectare a cvorumului, care reglează împreună dezvoltarea morfologică și producția de antibiotice la producătorii lor. Cel mai bine studiat regulator de actinomicet este factorul A, care este 2-izo-capryloil-3-hidroximetil-y-butirolactona.

Influența factorului A asupra diferențierii morfologice și formării antibioticelor este supusă schemei generale de funcționare a regulatorilor de streptomicete care conțin o grupă lactonă. În stadiile incipiente ale creșterii, când concentrația factorului A este scăzută, receptorul factorului A (AgrA) se leagă și reprimă expresia unui activator comun ipotetic al biosintezei și sporulării streptomicinei. Izolarea AgrA din lizatul celular S. griseus IFO 13350 s-a dovedit a fi o proteină de 276 de aminoacizi cu o greutate moleculară de 29,1 kDa.

Pe măsură ce densitatea culturii crește, concentrația factorului A atinge un nivel critic la care se leagă AgrA, determinând disocierea acestuia din urmă de ADN și activând astfel transcrierea genei cheie adpA care codifică AdpA (o proteină de 405 aminoacizi care conține o legare). situs în regiunea centrală).cu ADN, similar cu regulatorii de transcripție din familia de proteine ​​AraC/XylS). AdpA, la rândul său, este un regulator pozitiv al activatorului citoplasmatic detectat al grupului de gene de biosinteză a streptomicinei și activatori ai procesului de sporulare. Activatorul citoplasmatic, care se leagă de ADN în regiunea promotorului genei pentru reglarea specifică a clusterului de biosinteză a streptomicinei strR, induce transcripția acestei gene, gena de rezistență la propriul antibiotic, aphD, care se află după aceasta, gena adsA, care codifică factorul a extracitoplasmatic al ARN polimerazei, care este necesar pentru formarea miceliului aerian, precum și gena sgmA care codifică o proteină peptidază, care, împreună cu alte enzime hidrolitice, este implicată în degradarea proteinele miceliului substrat ca urmare a formării miceliului aerian. Produsul reglator al genei strR determină începutul transcripției genelor de biosinteză structurală ca parte a unui grup de promotori dependenți de StrR. Începutul exprimării din promotorul genei strR sub influența unui activator citoplasmatic asigură, de asemenea, producerea produsului genei aphD, aminoglicozid fosfotransferaza, și astfel crearea unui nivel de bază de rezistență la tulpină la propriul antibiotic.

S-a demonstrat că la diferite specii de streptomicete există omologie între elementele structurale ale regulatorilor. Secvențe de nucleotide omoloage genei agrA în S. griseus, se găsesc și în alte streptomicete. De exemplu, la S.coelicolor A3 (2), au fost găsite două gene srA și srB, care codifică proteinele asemănătoare AgrA CrA și CrB, care sunt 90,7% similare între ele și 35% cu AgrA.