Quorum-sensing

A LINGUAGEM QUÍMICA DAS BACTÉRIAS

The chemical language of bacteria

Há aproximadamente 30 anos descobriu-se que as bactérias não são células solitárias. Na verdade, estes microrganismos utilizam complexos mecanismos de comunicação entre os indivíduos, em uma espécie de comunicação química intercelular. Este mecanismo é conhecido como "quorum-sensing".

Nearly 30 years ago it was discovered that bacteria are not solitary cells. In fact, these organisms use complex signaling mechanisms between individuals in a kind of intercellular chemical communication. This mechanism is known as "quorum-sensing."

As substâncias químicas empregadas nos processos comunicativos entre bactérias variam de acordo com a espécie. De uma forma geral, as acil-homosserina lactonas são os principais feromônios bacterianos em espécies Gram-negativas.

The chemicals used in the communication processes between bacteria vary according to species. In general, the acyl homoserine lactones are the main bacterial pheromones in Gram-negative species.

Acil-homosserina lactonas, principais feromônios de bactérias Gram-negativas

Acyl-homoserine lactones, major pheromones of Gram-negative bacteria

As bactérias utilizam estas moléculas como verdadeiros sinalizadores químicos. Isto permite as bactérias atuarem de forma coordenada, como verdadeiros exércitos. A utilização destas moléculas pode ser de vital importância, por exemplo, para as bactérias colonizarem com eficiências os tecidos dos hospedeiros, sejam animais, vegetais ou humanos.

Bacteria use these molecules as true chemical signals. This allows the bacteria to act in a coordinated manner, as armies. The use of these molecules can be of vital importance, for example, for efficient bacterial colonizing the tissues of the host, whether animal, vegetable or human.

Um exemplo clássico é o caso das bactérias fitopatogênicas. A espécie Pectobacterium carotovorum é um importante fitopatógeno de diversas culturas, entre as quais o tomateiro. Ao invadir os tecidos da planta, entretanto, a bactéria não deve iniciar um ataque imediato. Um ataque massivo baseado em enzimas e metabólitos secundários antes do momento adequado poderia alertar os sistemas de defesa do hospedeiro (no caso, a planta) antes que  a população da bactéria esteja grande o suficiente para se defender. Assim, as células bacterianas controlam a expressão de fatores de virulência, reprimindo a expressão de fatores fenotípicos virulentos antes do momento adequado. Este controle é feito através dos sinalizadores químicos, no caso, lactônicos.

A classic example is the case of phytopathogenic bacteria. The species Pectobacterium carotovorum is an important pathogen of several crops, including tomato. By invading the tissues of the plant, however, the bacteria should not initiate an immediate attack. A massive attack based on enzymes and secondary metabolites before the right time could alert the defense systems of the host (in this case, the plant) before the bacteria population is large enough to defend themselves. Thus, the bacterial cells control the expression of virulence factors, repressing the expression of phenotypic virulence factors before a timely manner. This control is done through chemical signals, in this case, lactones.

Representação gráfica simplificada da cadeia de produção e resposta aos sinalizadores químicos.

Simplified graphical representation of the production and response chain to chemical signals.

Ao nível molecular, as acil-homosserina lactonas atuam na verdade como reguladores de mecanismos de expressão gênica, em complexos mecanismos de cascata. As moléculas sinalizadoras são produzidas por enzimas homólogas de LuxI e lançadas ao meio extracelular. Ao atingirem uma determinada concentração crítica, associada a uma grande população bacteriana, as moléculas se ligam a proteínas receptoras homólogas de LuxR, passando a controlar a expressão de genes que podem dar origem por exemplo a proteínas, enzimas virulentas, metabólitos secundários, etc.

At the molecular level, the acyl homoserine lactones actually act as regulators of gene expression mechanisms in complex cascade chains. The signaling molecules are produced by homologous LuxI enzymes and thrown into the extracellular medium. When they reach a certain critical concentration associated with a large bacterial population, the molecules bind to receptor proteins homologous to LuxR, going to control the expression of genes that can lead by example proteins, enzymes virulent, secondary metabolites, etc..

Até o momento, diversas bactérias causadoras de doenças tiveram seus mecanismos de comunicação intercelular elucidados. Por exemplo, na espécie Pseudomonas aeruginosa a produção de biofilmes é controlada por acil-homosserina lactonas. Os biofilmes protegem as colônias destas bactérias nos pulmões dos seres humanos acometidos pela fibrose cística, comprometendo a ação de substâncias antibióticas.

So far, several disease-causing bacteria had their intercellular communication mechanisms elucidated. For example, the species Pseudomonas aeruginosa controls biofilm production using acyl homoserine lactones. Biofilms protect the colonies of these bacteria in the lungs of humans affected by cystic fibrosis, affecting the action of antibiotic substances.

Porém, nem sempre os mecanismos de quorum-sensing utilizados pelas bactérias representam uma arma agressiva. Em vários casos, a sobrevivência das bactérias e outros organismos depende intrinsecamente deste mecanismo. Por exemplo, a espécie Rhyzobium leguminosarum produz acil-homosserina lactonas para controlar suas interações com as raízes da soja e assim realizar a fixação biológica de nitrogênio. O mesmo parece acontencer entre as espécies Azospirillum seropedicae e as raízes da cana-de-açúcar.

But not always the quorum-sensing mechanisms used by bacteria represent an aggressive weapon. In several cases, the survival of bacteria and other organisms depends intrinsically on this mechanism. For example, the species Rhyzobium leguminosarum produces acyl homoserine lactones to control their interactions with the roots of soybeans plants and thus achieve the biological nitrogen fixation. The same events appear to hapen among the species Azospirillum seropedicae and the roots of sugar cane.

A fixação biológica de nitrogênio representou um grande avanço na produção de soja no Brasil, especialmente no cerrado. Esta tecnologia permitiu aumentos expressivos de produção e um peso importante em nossa balança comercial.

The biological nitrogen fixation represented a great advance in soybean productionin Brazil, specially in the cerrado (Brazilian savanah) area. This technology allowed significant increases inproduction and an important role in our trade balance.

  

Soja e cana-de-açúcar, importantes produtos do agronegócio no Norte do Paraná e objeto de nossas pesquisas.

Soybeans and sugar cane, major agribusiness products in the North of Paraná and the object of our research.

Assim, um dos objetivos de nossas pesquisas consiste em compreender de forma mais aprofundada as relações entre plantas e bactérias, especialmente em espécies importante na agricultura.

Thus, one objective of our research is to understand more thoroughly the relationships between plants and bacteria, especially for important species in Brazilian agriculture.

Atualmente, estamos realizando estudos no sentido de averiguar a presença de acil-homosserina lactonas em tecidos vegetais, tentando correlacionar com sua produção in vitro pelas bactérias no estado isolado. Estes estudos permitirão criar estratégias mais eficientes de incorporação de nitrogênio nas plantas e assim aumentar ainda mais sua produtividade.

We are currently conducting studies to determine the presence of acyl homoserine lactones in plant tissues, trying to correlate the mean concentrations with its in vitro production by bacteria in the isolated state. These studies will help us to create more efficient strategies nitrogen incorporation in plants and thereby increase their productivity even more.