En biología , un autoinductor es una molécula de señalización que permite la detección y respuesta a los cambios en la densidad de población de las células bacterianas . Sintetizados cuando una bacteria se reproduce, los autoinductores pasan fuera de la bacteria y al medio circundante. [1] Son un componente clave del fenómeno de detección de quórum : a medida que aumenta la densidad de células bacterianas con detección de quórum, también lo hace la concentración del autoinductor. La detección de un autoinductor por parte de una bacteria por encima de un umbral mínimo desencadena una expresión genética alterada . [2] [3]
La detección de autoinductores, realizada tanto por bacterias Gram-negativas como Gram-positivas , les permite detectarse entre sí y regular una amplia variedad de actividades fisiológicas, incluyendo simbiosis , virulencia , motilidad , producción de antibióticos y formación de biopelículas . [4]
Los autoinductores adoptan distintas formas según la especie de bacteria, pero su efecto es en muchos casos similar. Permiten que las bacterias se comuniquen tanto dentro de la especie como entre especies y, por lo tanto, que generen respuestas coordinadas a sus entornos de una manera comparable al comportamiento y la señalización en organismos superiores . No es sorprendente que se haya sugerido que el quórum sensing puede haber sido un hito evolutivo importante que, en última instancia, dio origen a formas de vida multicelulares .
El término autoinducción fue acuñado por primera vez en 1970, cuando se observó que la bacteria marina bioluminiscente Vibrio fischeri producía una enzima luminiscente ( luciferasa ) solo cuando los cultivos habían alcanzado una densidad poblacional umbral. [5] A bajas concentraciones de células, V. fischeri no expresó el gen de la luciferasa. Sin embargo, durante la fase de crecimiento exponencial de los cultivos, el gen de la luciferasa se activó rápidamente. Este fenómeno se denominó autoinducción porque involucraba una molécula (el autoinductor) producida por las propias bacterias que se acumulaba en el medio de crecimiento e inducía la síntesis de componentes del sistema de luminiscencia. [6] Investigaciones posteriores revelaron que el autoinductor real utilizado por V. fischeri es una molécula de señalización de homoserina lactona acilada (AHL).
En los sistemas de detección de quórum más simplificados, las bacterias solo necesitan dos componentes para utilizar los autoinductores: una forma de producir una señal y una forma de responder a esa señal. Estos procesos celulares suelen estar estrechamente coordinados e implican cambios en la expresión génica. La producción de autoinductores generalmente aumenta a medida que aumenta la densidad celular bacteriana. La mayoría de las señales se producen intracelularmente y posteriormente se secretan en el entorno extracelular. La detección de autoinductores a menudo implica la difusión de regreso a las células y la unión a receptores específicos . Por lo general, la unión de los autoinductores a los receptores no ocurre hasta que se alcanza una concentración umbral de autoinductores. Una vez que esto ha ocurrido, los receptores unidos alteran la expresión génica de forma directa o indirecta. Algunos receptores son factores de transcripción en sí mismos, mientras que otros transmiten señales a factores de transcripción posteriores. En muchos casos, los autoinductores participan en bucles de retroalimentación directa, por los cuales una pequeña concentración inicial de un autoinductor amplifica la producción de esa misma señal química a niveles mucho más altos.
Las lactonas de homoserina aciladas (AHL) , producidas principalmente por bacterias gramnegativas, son una clase de pequeñas moléculas lipídicas neutras compuestas por un anillo de lactona de homoserina con una cadena de acilo. [7] Las AHL producidas por diferentes especies de bacterias gramnegativas varían en la longitud y composición de la cadena lateral de acilo, que a menudo contiene de 4 a 18 átomos de carbono. [8] Las AHL son sintetizadas por las sintasas de AHL. Se difunden dentro y fuera de las células mediante mecanismos de transporte pasivo y activo . [9] Los receptores de las AHL incluyen una serie de reguladores transcripcionales llamados "proteínas R", que funcionan como factores de transcripción de unión al ADN o quinasas sensoras . [10] [11]
Las bacterias grampositivas que participan en el quorum sensing suelen utilizar oligopéptidos secretados como autoinductores. Los autoinductores peptídicos suelen ser el resultado de la modificación postraduccional de una molécula precursora más grande. [12] En muchas bacterias grampositivas, la secreción de péptidos requiere mecanismos de exportación especializados. Por ejemplo, algunos autoinductores peptídicos son secretados por transportadores de casete de unión a ATP que acoplan el procesamiento proteolítico y la exportación celular. [13] Después de la secreción, los autoinductores peptídicos se acumulan en entornos extracelulares. Una vez que se alcanza un nivel umbral de señal, una proteína quinasa sensora de histidina de un sistema regulador de dos componentes lo detecta y se transmite una señal a la célula. [4] Al igual que con las AHL, la señal finalmente termina alterando la expresión génica. Sin embargo, a diferencia de algunas AHL, la mayoría de los oligopéptidos no actúan como factores de transcripción en sí mismos.
La bacteria marina bioluminiscente de vida libre, Vibrio harveyi , utiliza otra molécula de señalización además de una lactona de homoserina acilada. Esta molécula, denominada Autoinducer-2 (o AI-2), es un diéster de borato de furanosilo. [14] Se cree que el AI-2, que también es producido y utilizado por varias bacterias gramnegativas y grampositivas, es un vínculo evolutivo entre los dos tipos principales de circuitos de detección de quórum. [4]
Como se mencionó, las bacterias Gram-negativas utilizan principalmente lactonas de homoserina aciladas (AHLs) como moléculas autoinductoras. El circuito de detección de quórum mínimo en las bacterias Gram-negativas consiste en una proteína que sintetiza una AHL y una segunda proteína diferente que la detecta y causa un cambio en la expresión génica. [4] Identificadas por primera vez en V. fischeri , estas dos proteínas son LuxI y LuxR, respectivamente. [15] [16] Otras bacterias Gram-negativas utilizan proteínas similares a LuxI y similares a LuxR ( homólogos ), lo que sugiere un alto grado de conservación evolutiva . Sin embargo, entre las Gram-negativas, el circuito de tipo LuxI/LuxI ha sido modificado en diferentes especies. Descritas con más detalle a continuación, estas modificaciones reflejan adaptaciones bacterianas para crecer y responder a entornos de nicho particulares . [4]
Ecológicamente, se sabe que V. fischeri tiene asociaciones simbióticas con varios hospedadores eucariotas, incluido el calamar bobtail hawaiano ( Euprymna scolopes ). [17] En esta relación, el hospedador calamar mantiene a las bacterias en órganos de luz especializados. El hospedador proporciona un entorno seguro y rico en nutrientes para las bacterias y, a su vez, las bacterias proporcionan luz. Aunque la bioluminiscencia se puede utilizar para el apareamiento y otros fines, en E. scolopes se utiliza para la contrailuminación para evitar la depredación. [18]
La molécula autoinductora utilizada por V. fischeri es la lactona N-(3-oxohexanoil)-homoserina. [19] Esta molécula es producida en el citoplasma por la enzima LuxI sintasa y se secreta a través de la membrana celular al entorno extracelular. [16] Como sucede con la mayoría de los autoinductores, la concentración ambiental de lactona N-(3-oxohexanoil)-homoserina es la misma que la concentración intracelular dentro de cada célula. [20] La lactona N-(3-oxohexanoil)-homoserina finalmente se difunde de nuevo a las células, donde es reconocida por LuxR una vez que se ha alcanzado una concentración umbral (~10 μg/ml). [19] LuxR se une al autoinductor y activa directamente la transcripción del operón luxICDABE . [21] Esto da como resultado un aumento exponencial tanto en la producción de autoinductor como en la bioluminiscencia. El LuxR unido por el autoinductor también inhibe la expresión de luxR , lo que se cree que proporciona un mecanismo compensatorio de retroalimentación negativa para controlar estrictamente los niveles de los genes de bioluminiscencia. [16]
P. aeruginosa es un patógeno humano oportunista asociado con la fibrosis quística . En las infecciones por P. aeruginosa , la detección de quórum es fundamental para la formación de biopelículas y la patogenicidad. [22] P. aeruginosa contiene dos pares de homólogos de LuxI/LuxR, LasI/LasR y RhlI, RhlR. [23] [24] LasI y RhlI son enzimas sintasa que catalizan la síntesis de N-(3-oxododecanoil)-homoserina lactona y N-(butiril)-homoserina lactona, respectivamente. [25] [26] Los circuitos LasI/LasR y RhlI/RhlR funcionan en tándem para regular la expresión de varios genes de virulencia. En una concentración umbral, LasR se une a la N-(3-oxododecanoil)-homoserina lactona. En conjunto, este complejo unido promueve la expresión de factores de virulencia que son responsables de las primeras etapas del proceso de infección. [23]
El LasR unido a su autoinductor también activa la expresión del sistema RhlI/RhlR en P. aeruginosa . [27] Esto provoca la expresión de RhlR que luego se une a su autoinductor, la lactona N-(butril)-homoserina. A su vez, el RhlR unido al autoinductor activa una segunda clase de genes involucrados en etapas posteriores de la infección, incluidos los genes necesarios para la producción de antibióticos. [24] Presumiblemente, la producción de antibióticos por P. aeruginosa se utiliza para prevenir infecciones oportunistas por otras especies bacterianas. La lactona N-(3-oxododecanoil)-homoserina impide la unión entre la lactona N-(butril)-homoserina y su regulador cognado, RhlR. [28] Se cree que este mecanismo de control permite a P. aeruginosa iniciar las cascadas de detección de quórum de manera secuencial y en el orden apropiado para que pueda producirse un ciclo de infección adecuado. [4]
Mientras que las bacterias Gram-negativas utilizan principalmente lactonas de homoserina aciladas, las Gram-positivas generalmente utilizan oligopéptidos como autoinductores para la detección de quórum. Estas moléculas se sintetizan a menudo como polipéptidos más grandes que se escinden postraduccionalmente para producir péptidos "procesados". A diferencia de los AHL que pueden difundir libremente a través de las membranas celulares, los autoinductores de péptidos suelen requerir mecanismos de transporte especializados (a menudo transportadores ABC). Además, no se difunden libremente de nuevo a las células, por lo que las bacterias que los utilizan deben tener mecanismos para detectarlos en sus entornos extracelulares. La mayoría de las bacterias Gram-positivas utilizan un mecanismo de señalización de dos componentes en la detección de quórum. Los autoinductores de péptidos secretados se acumulan en función de la densidad celular. Una vez que se alcanza un nivel de quórum de autoinductor, su interacción con una quinasa sensora en la membrana celular inicia una serie de eventos de fosforilación que culminan en la fosforilación de una proteína reguladora intracelularmente. [4] Esta proteína reguladora posteriormente funciona como un factor de transcripción y altera la expresión génica. De manera similar a las bacterias Gram-negativas, el sistema de autoinducción y detección de quórum en las bacterias Gram-positivas está conservado, pero nuevamente, cada especie tiene aspectos específicos adaptados para sobrevivir y comunicarse en entornos de nichos únicos.
S. pneumoniae es una bacteria patógena humana en la que el proceso de transformación genética se describió por primera vez en la década de 1930. [34] Para que una bacteria absorba ADN exógeno de su entorno, debe volverse competente . En S. pneumoniae , deben ocurrir varios eventos complejos para lograr un estado competente, pero se cree que la detección de quórum juega un papel. [35] El péptido estimulante de la competencia (CSP) es un autoinductor peptídico de 17 aminoácidos necesario para la competencia y la posterior transformación genética. [36] El CSP se produce por escisión proteolítica de un péptido precursor de 41 aminoácidos (ComC); es secretado por un transportador ABC (ComAB); y es detectado por una proteína quinasa sensora (ComD) una vez que ha alcanzado una concentración umbral. [37] [38] [39] La detección es seguida por la autofosforilación de ComD, que a su vez, fosforila ComE. ComE es un regulador de respuesta responsable de activar la transcripción de comX , cuyo producto es necesario para activar la transcripción de varios otros genes involucrados en el desarrollo de la competencia. [40]
B. subtilis es un microbio que habita en el suelo y que utiliza el sistema de detección de quórum para regular dos procesos biológicos diferentes: competencia y esporulación . Durante la fase de crecimiento estacionario, cuando B. subtilis se encuentra en una alta densidad celular, aproximadamente el 10 % de las células de una población se ven inducidas a volverse competentes. Se cree que esta subpoblación se vuelve competente para absorber ADN que podría usarse potencialmente para la reparación de cromosomas dañados (mutados) . [41] ComX (también conocido como factor de competencia) es un péptido de 10 aminoácidos que se procesa a partir de un precursor peptídico de 55 aminoácidos. [42] Como la mayoría de los autoinductores, ComX se secreta y se acumula en función de la densidad celular. Una vez que se alcanza un nivel extracelular umbral, ComX es detectado por un par de quinasas sensoras/regulador de respuesta de dos componentes ComP/ComA. [43] La fosforilación de ComA activa la expresión del gen comS , ComS inhibe la degradación de ComK y, finalmente, ComK activa la expresión de varios genes necesarios para la competencia. [44]
Por otra parte, la esporulación es una respuesta fisiológica de B. subtilis al agotamiento de nutrientes en un entorno particular. También está regulada por la señalización extracelular. Cuando las poblaciones de B. subtilis detectan condiciones de deterioro, responden experimentando una división celular asimétrica. [45] Esto, en última instancia, produce esporas que están adaptadas para la dispersión y la supervivencia en condiciones desfavorables. La esporulación en B. subtilis está mediada por el CSF (factor de esporulación), un pentapéptido escindido del péptido precursor PhrC. [46] El CSF se secreta en el entorno extracelular y se vuelve a incorporar a las células a través del transportador ABC Opp, donde actúa intracelularmente. [47] Mientras que las bajas concentraciones internas de CSF contribuyen a la competencia, las altas concentraciones inducen la esporulación. El CSF inhibe una fosfatasa, RabB, que aumenta la actividad de Spo0A, lo que favorece un cambio en el compromiso de la vía de competencia a la de esporulación [41]