Quorum Sensing: Mecanismos e Exemplos

Fisiologia de Microrganismos Trabalho

Escreva um texto dissertativo que contemple os seguintes aspectos:

a) O que é Quorum Sensing;

b) Quais são os mecanismos (moléculas envolvidas) usados pelos microrganismos para perceber e controlar a densidade de população;

c) Como esse processo está relacionado a fenômenos como formação de biofilme, esporulação, virulência, produção de bacteriocinas/antibióticos e bioluminescência;

d) Exemplos.

Quorum sensing: comunicação e abrangência biológica

Quorum sensing¹ pode ser definido como um mecanismo de comunicação entre bactérias, através da produção e difusão de pequenas moléculas químicas ou sinalizadoras, através de membranas bacterianas. Caracteriza-se por um sistema de comunicação intra e interespécies de microrganismos, baseado na emissão de estímulos e respostas dependentes da densidade populacional. A intensidade da sinalização é variável consoante o número de células bacterianas. Geralmente, quando em menor número, a sinalização quorum sensing é também menor. Assim que a concentração celular aumenta, a sinalização também se amplifica. A partir de determinado nível de sinalização, os genes envolvidos em quorum sensing são expressos, levando à produção de produtos que aumentam a patogenicidade bacteriana e, consequentemente, a sua capacidade de sobreviver aos agentes antibacterianos.  A descoberta deste tipo de interação microbiana tornou evidente o conceito que, embora geneticamente e estruturalmente mais simples, os microrganismos têm a capacidade de se comportar como organismos complexos ², capazes de se comunicar e agir coordenadamente, respondendo a diferentes estímulos de modo unificado. Esta linguagem permite que as bactérias coordenem seu comportamento em relação ao meio ambiente, regulando a expressão de conjuntos de genes especializados ¹, em resposta à densidade populacional, além de regular diversos processos fisiológicos2.

As bactérias Gram positivas e Gram negativas¹ apresentam sistemas de comunicação diferenciados para regular as diversas funções fisiológicas. Em geral, as bactérias Gram positivas usam oligopeptídeos para se comunicar e as bactérias Gram negativas usam como autoindutores as acil-homoserina lactonas. O sistema de sinalização através de autoindutores tem como princípio a ligação das moléculas sinalizadoras, quando em concentrações elevadas, às moléculas receptoras ou sensoras, presentes na superfície ou no interior das bactérias. Estas moléculas sensoras ou “proteínas R” atuam como reguladores transcricionais, sendo capazes de regular a expressão de genes determinados. Cada uma das proteínas R corresponde a receptores específicos, sendo ativados apenas quando estimulados pelas moléculas sinalizadoras. Existem quatro categorias de moléculas envolvidas no quorum sensing em bactérias, estas são: Autoindutor – 1; Autoindutor – 2; Autoindutor - 3; Aminoácidos e pequenos peptídeos. Apesar da grande quantidade de microrganismos que possuem sistemas de quorum sensing, observa-se que a maioria apresenta como similaridade a sinalização dependente da densidade populacional. Essa comunicação entre as bactérias gera fenômenos interessantes para a ciência, como: a produção de biofilme, esporulação, virulência, produção de bacteriocinas/antibióticos e bioluminescência.

Biofilmes é uma comunidade complexa3 e estruturada de microrganismos, envoltos por uma matriz extracelular de polissacarídeos, aderidos entre si a uma superfície ou interface. Pode se aderir a superfícies abióticas, como cateteres utilizados em tratamentos médicos ou bióticas como em dentes ou ainda tecidos e células. O primeiro estágio na formação do biofilme é a adesão das bactérias planctônicas, ou seja, de vida livre à uma superfície e ocorre de forma aleatória. Esta primeira adesão é reversível e é mantida por interações físico-químicas não específicas constituindo o alicerce para o crescimento do biofilme. O segundo estágio da adesão consiste na transição do estágio reversível para o irreversível. As bactérias passam a secretar substâncias, as moléculas envolvidas no quorum sensing em bactérias citadas acima, que serão responsáveis pela manutenção da adesão e da camada que envolve o biofilme. Nesta fase há o início da formação de microcolônias e do desenvolvimento da arquitetura do biofilme maduro. Os biofilmes maduros apresentam estrutura semelhante a cogumelos, que são envoltos por diversas substâncias, principalmente açúcares e rodeados por poros e canais de água que funcionam como um sistema de troca de nutrientes, oxigênio e metabólitos que precisam ser secretados para fora do biofilme. O quinto e último estágio da formação do biofilme ocorre quando o ambiente não é mais favorável à sua manutenção, e consiste no descolamento do biofilme maduro em forma de agregados celulares ou células planctônicas. Após desprendidas, as bactérias livres podem colonizar novos ambientes, reiniciando a formação de novos biofilmes4.

 Esporos são formados durante a fase estacionária, em resposta a uma complexa rede de transdução de sinal, que integra uma variedade de características ambientais e, pelo menos, dois fatores principais: a privação de nutrientes e densidade populacional. Com o crescimento populacional há uma elevação dos níveis de proteínas secretadas, que atuam como autoindutores de quorum sensing. Quando as moléculas sinalizadoras atingem níveis intracelulares elevados induzem uma extensa cascata de fosforilação e, consequentemente, o início da formação de um esporo ou processo de esporulação5.

As bacteriocinas/antibióticos são definidas como peptídios antimicrobianos que destroem ou inibem o crescimento de outras bactérias taxonomicamente relacionadas com a cepa produtora e isso envolve a comunicação entre elas e são ativos contra espécies bacterianas6.  

A bioluminescência é a emissão de luz fria e visível por organismos vivos. Ela ocorre em variados organismos (bactérias, fungos, algas, celenterados, moluscos, artrópodes, peixes), principalmente no ambiente marinho. No ambiente terrestre ela ocorre em fungos, anelídeos, moluscos e principalmente nos insetos. Ela serve principalmente para finalidades de comunicação biológica. Ela é gerada por reações químicas altamente exotérmicas, catalisadas enzimaticamente, nas quais a energia das ligações químicas de compostos orgânicos é convertida preferencialmente em luz visível7.