Las N -acil homoserina lactonas (abreviadas como AHL o N-AHL) son una clase de moléculas de señalización involucradas en la detección del quórum bacteriano , un medio de comunicación entre bacterias que permite comportamientos basados en la densidad de población.
La primera AHL (N-3-(oxo-hexanoil)-homoserina lactona) se encontró como el inductor natural de la bioluminiscencia en la bacteria Vibrio fischeri . [1] La detección de quórum mediante AHL contribuye a regular la transcripción de genes específicos y, por lo tanto, la expresión de fenotipos específicos, incluido el crecimiento, la virulencia , la formación de biopelículas , la bioluminiscencia y la producción de exopolisacáridos (EPS). [2] Más de 50 especies de bacterias gramnegativas (incluidas varias especies patógenas) utilizan AHL como autoinductores y medios de comunicación en la detección de quórum. En un estudio, se demostró que AHL interactúa con las células eucariotas, mitiga la respuesta inmune y facilita la infección. [3] Las AHL son uno de los grupos principales de moléculas autoinductoras (AI) que se encuentran principalmente en proteobacterias gramnegativas, pero también en algunos bacteriodetos, cianobacterias y arqueas. [4] Los otros dos grupos principales son los oligopéptidos AI en bacterias grampositivas ; y autoinductor-2 (AI-2), como señal universal para comunicaciones entre especies. [5]
Surge de la reacción de las proteínas portadoras de acilo que reaccionan con la S-adenosilmetionina. Este último dona el equivalente de 4- aminobutirolactona . La metiltioadenosina es un coproducto . [6]
La homoserina lactona también es un producto de la reacción proteolítica del bromuro de cianógeno (CNBr) con un residuo de metionina . Esta reacción es importante para la secuenciación química de proteínas.
Los AHL tienen secciones hidrofóbicas e hidrofílicas. La sección hidrófila está formada por el anillo de homoserina lactona y el grupo amida. La sección hidrófoba tiene una cadena de hidrocarburos específica de la cepa con variedades en longitud y nivel de oxigenación con un grupo 3-oxo. La longitud de la cadena de acilo generalmente oscila entre 4 y 18 carbonos. La longitud de la variable de cadena lateral del grupo R. Las longitudes de las cadenas varían de 4 a 18 átomos de carbono y en la sustitución de un carbonilo en el tercer carbono. [7] Las secciones hidrofílicas forman una red unida por enlaces de hidrógeno dentro del sitio de unión al receptor, mientras que los sitios hidrofóbicos contribuyen a las propiedades de difusión y unión dentro de la bolsa hidrofóbica. [8] Los estudios aún no han demostrado una correlación entre las enzimas AHL sintasa y el tipo de AHL. La proteína LuxI sintetiza una molécula de homoserina-lactona acilada. El gen LuxI está altamente conservado, lo que indica que, aunque es diverso, existe un número limitado de señales de tipo AHL producidas por bacterias. Sin embargo, en la familia de enzimas AHL sintasa, la región C-terminal, que determina el tipo de sustratos que la sintetasa puede reconocer y la posterior longitud de la cadena de acilo, no se conserva. Además, hasta el momento no hay evidencia de que la distribución de la AHL sintasa y las especies estén correlacionadas. [9] A diferencia de los genes LuxI, los receptores de las AHL, la proteína LuxR y sus genes, son muy variables entre especies.
La señalización del quórum bacteriano comienza con los N-AHL secretados al medio ambiente.
En el proceso de detección de quórum, primero la proteína LuxI sintetiza una molécula de homoserina-lactona acilada que puede atravesar la membrana celular a lo largo del gradiente mediante difusión al espacio ambiental. Cuando la concentración de estos autoinductores en el ambiente es menor que dentro de la célula, descenderán en gradiente y abandonarán la célula, por lo tanto, no se unirán a su receptor, LuxR, que se encuentra en el citoplasma. Cuando la población de bacterias alcanza un umbral y la concentración de autoinductores en el ambiente es mayor que dentro de la célula, se moverán a lo largo del gradiente hacia el interior de la célula y se unirán al receptor. Así se formará el complejo LuxR-AHL. [10] Este complejo se unirá a una sección de ADN de 20 pares de bases (pb), llamada caja lux . Esta región está en o cerca de la región promotora de lux , que se encuentra aproximadamente 40 pb aguas arriba del gen regulado. Debido a que LuxR está unido al promotor, la ARN polimerasa se recluta en esta región promotora y se induce la expresión génica. [11] Además, el complejo LuxR-AHL regulará positivamente la transcripción de la proteína LuxI, lo que aumentará la producción de AHL (bucle de retroalimentación positiva). Se regulará la transcripción de los genes diana y se coordinará la expresión genética de toda una población. [12] Varios estudios han investigado las posibles AHL eficaces en la infección y la resistencia a los antibióticos. El sistema LuxR-LuxI mediado por AHL es el sistema QS mejor seleccionado en especies de bacterias resistentes a múltiples fármacos. [13]
A diferencia de la detección de quórum, la extinción de quórum previene la comunicación bacteriana e influye en su expresión genética. Los objetivos de la extinción del quórum son las moléculas de señal, la maquinaria biosintética de las moléculas de señal y las proteínas reguladoras que perciben estas moléculas de señal, siendo el mecanismo principal la degradación de AHL a través de enzimas que degradan AHL y la limitación de la acumulación de señales. Las AHL son degradadas por enzimas a través de tres mecanismos: hidrólisis de lactona, hidrólisis del enlace amida y modificación de la cadena acilo. La hidrólisis de lactona ocurre cuando la AHL Lactonasa hidroliza los anillos de homoserina lactona. Este proceso se observó por primera vez en especies de Bacillus . Las AHL acilasas catalizan la destrucción completa e irreversible de las AHL mediante la hidrólisis de enlaces amida. La AHL oxidasa y reductasa, descubiertas por primera vez en Rhodococcus erythropolis, catalizan un cambio en la estructura química de las señales, lo que afecta el reconocimiento de señales AHL e interfiere con los procesos regulados de detección de quórum. La segunda AHLasa es una monooxigenasa de Bacillus megaterium P450 que oxida ácidos grasos y N-acil aminoácidos. Las lactonasas y las acilasas son las dos pioneras de los mecanismos de extinción del quórum. Las lactonasas rompen los enlaces de lactona en los autoinductores, haciéndolos incapaces de unirse a los reguladores transcripcionales objetivo y, por tanto, aumentando la resistencia a las enfermedades. [14]
Las plantas desempeñan un papel fundamental en la configuración de nuestro mundo y su relación con los microorganismos es de gran importancia. A lo largo de la larga historia de coevolución de plantas y microbios, las plantas han evolucionado para responder a los microbios simbióticos o patógenos de manera apropiada con un perfil de expresión genética adaptado, como la cooperación con bacterias saprótrofas que conducen a una vida endofítica o respuestas de defensa contra patógenos. Los AHL juegan un papel importante en la simbiosis de rizobios y leguminosas que dará como resultado la formación de nódulos. [15] Los experimentos han informado que la aplicación de AHL activa el promotor GH3 responsable de las auxinas (regula al alza los genes relacionados con las auxinas) y regula a la baja los genes relacionados con la citoquinina (el cambio en la proporción entre auxina y citoquinina puede promover el crecimiento). [16] Además, tras la aplicación de AHL, se ha mejorado la nodulación en las raíces. [17] Además, el flujo de agua y minerales a través de la planta era mayor a medida que aumentaba la apertura de los estomas y, por lo tanto, la tasa de transpiración general cambiaba. [18] Aparte de las interacciones beneficiosas entre bacterias y plantas mediadas por AHL, se demostró que los compuestos AHL que señalan QS funcionan como una importante señal de comunicación en las interacciones simbióticas tripartitas entre bacterias, hongos y plantas. La bacteria endofítica con autoinducción de AHL y produce una variedad de AHL de cadena lateral larga parece ayudar al hongo a interactuar de manera simbiótica con las plantas hospedantes colonizadas. El hongo Serendipita indica, que fue aislado de la rizosfera de las plantas, está asociado con la tolerancia al estrés y la promoción del crecimiento de las plantas. Se demostró que este hongo alberga una bacteria endofúngica, Rhizobium radiobacter F4, cuyos genes de autoinducción de AHL. Cuando se inoculó R. radiobacter F4 en Arabidopsis o trigo ( Triticum aestivum ), confirió una estimulación similar del crecimiento y el rendimiento, así como también una preparación de las respuestas de defensa y una mayor aptitud ambiental. Curiosamente, cuando se agotaron los compuestos AHL, disminuyeron la colonización de raíces, la promoción del crecimiento y las actividades inductoras de resistencia. Estos hallazgos sugieren que siempre que se aplica el hongo S. indica para apoyar el vigor del crecimiento de diversas plantas, el endofúngico R. radiobacter productor de AHL coloniza la planta huésped y participa para dirigir la coordinación de la interacción microbio-planta. [19]
Los microbios son un actor clave a cargo del destino del nitrógeno en el suelo y el agua. La detección de quórum mediada por AHL tiene un papel importante en el ciclo del nitrógeno. Todas las bacterias nitrificantes y algunas bacterias desnitrificantes utilizan AHL como moléculas de señal. [20] Los AHL influyen en la eficiencia y regulan las funciones involucradas en la nitrificación y desnitrificación. Algunas especies bacterianas de bacterias oxidantes de amoníaco, como Nitrosomonas europaea, Nitrosospira multiformis, Nitrosospira briensis , utilizan AHL de C6 a C14. Las bacterias oxidantes de nitritos (NOB), como Nitrobacter winogradskyi, Nitrobacter vulgaris y Nitrospira moscoviensis, también utilizan AHL C8 o C10 . Candidatus Jettenia caeni con modo de oxidación anaeróbica de amonio (annamox) utiliza AHL C6 y C8. Además, Pseudomonas aeruginosa y Paracoccus denitrificans como bacterias desnitrificantes también utilizan C4-HSL y C16-AHL, respectivamente. En algunas de las bacterias nitrificantes y desnitrificantes como Nitrobacter hamburgensis no se encontraron AHL, aunque sí se encontraron supuestas AHL sintetasa y proteínas receptoras. [9]