Conţinutul principal
Curs: Biblioteca de biologie > Unitatea 14
Lecția 2: Comunicarea la organismele unicelulareSemnalizarea celulă-celulă la nivelul organismelor unicelulare
Cum folosesc organismele unicelulare semnale pentru a comunica. Tipuri de împerechere la drojdii, detectarea cvorumului bacterian și biofilme.
Introducere
În cadrul organismelor pluricelulare (cum ești și tu), semnalizarea celulă-celulă permite celulelor să-și coordoneze activitățile, asigurând că țesuturile, organele și sistemele de organe funcționează corespunzător. Oare înseamnă asta că organismele unicelulare, la drojdiile și bacteriile, nu folosesc căile de semnalizare celulă-celulă?
De fapt, aceste organisme au nevoie și ele să "vorbească" una cu alta. Celulele nu sunt parte din același organism, dar aparțin aceleiași populații și - exact ca într-o populație umane - au nevoie de modalități de a comunica despre subiecte de importanță comunitară sau interpersonală. Bacteriile, de exemplu, utilizează semnale chimice pentru a determina densitatea populației (cât de multe bacterii se află într-o zonă) și să-și modifice comportamentul în funcție de aceasta, în timp ce drojdiile produc semnale chimice care le permit să-și găsească parteneri.
Mai departe, vom privi mai atent felul în care organismele unicelulare "discută" unele cu altele utilizând semnale chimice.
Detectarea cvorumului la bacterii
Pentru mulți ani, s-a crezut că bateriile erau, în mare parte, siguratice, luând decizii la nivelul individului mai degrabă decât al comunității. Mai recent, a devenit mai clar că multe tipuri de bacterii intră într-un mod de semnalizare celulă-celulă numit detectarea cvorumului.
În cadrul detectării cvorumului, bacteriile monitorizează desitatea populației (numărul de bacterii din zona respectivă) prin intermediul semnalizării chimice. Atunci când semnalizarea ajunge la un nivel limită, toate bacteriile din populație își vor modifica comportamentul sau expresia genelor în același timp.
Detectarea cvorumului în simbioză
Detectarea cvorumului a fost descoperit inițial la Aliivibrio fischeri, o bacterie cu o relație simbiotică (benefică pentru ambele părți) cu calamarul bobianian hawaian
Când bacteriile A. fischeri sunt în interiorul organului luminos al calamarului, ele luminează, dar când sunt libere în ocean, nu o fac. Prin ani de muncă, oamenii de știință au descoperit că bacteriile utilizează detectarea cvorumului pentru a decide când să producă bioluminescență. Ar fi o risipă metabolică pentru o bacterie singură, liberă în ocean să producă reacții chimice pentru a emite lumină, deorece acestea nu aduc niciun avantaj fără calamarul gazdă. Totuși, atunci când multe bacterii sunt adunate într-un organ luminos, luminarea în unison oferă un avantaj: permite bacteriilor să-și îndeplinească rolul în relația simbiotică, ferindu-și calamarul gazdă (sursa lor de hrană) de prădători.
Mecanismele detectării cvorumului
Detectarea cvorumului este bazată pe producerea și detectarea autoinducătorilor, molecule semnal secretate continuu de bacterii pentru a-și anunța prezența vecinilor lor (de-obicei, vecini aparținând aceleiași specii). Autoinducătorii permit bacteriilor să detecteze densitatea populație și să-și modifice comportamentul corespunzător atunci când densitatea ajunge la o anumită limită.
În cazul anumitor tipuri de bacterii, autoinducătorii secretați sunt mici, moleculele hidrofobe precum acil-homoserit lactona (AHL). AHL este autoinducătorul format de A. fischeri, bacteriile care ocupă organul luminos al unui calamar. În cazul altor tipuri de bacterii, autoinducătorii pot fi peptide (proteine scurte) sau alte tipuri de molecule mici
Deoarece AHL este mică și hidrofobă, poate difuza liberă prin membranele calulelor bacteriene.
- Atunci când există puține celule în zonă, puținul AHL care este format va difuza în mediu, iar nivele de AHL din interiorul celulei va rămâne scăzut.
- Când mai multe bacterii sunt prezente, o cantitate mai mare de AHL va fi produsă (datorită numărului mai mare de contributori).
- Dacă nivele de AHL devin îndeajuns de ridicate, indicând densitatea critică a bacteriilor, AHL se va lega de și activa o proteină receptoare din interiorul celulelor.
- Receptorul activ acționează ca un factor de transcripție, atașându-se de zone specifice ale ADN-ului bacteriei și modificând activitatea genelor unui ținte din apropirere.
În A. fischeri, factorul de transcripție activează gene care codifică enzimele și subtraturile necesare pentru bioluminescență, precum și gena pentru enzimă care formează AHL (amplificând răspunsul într-o buclă de răspuns pozitiv)
În general, fiecare specie de bacterii își are proprii autoinducători, cu un receptor pereche care este foarte specific (nu va fi activat de autoinducătorul altei bacterii). Totuși, unele tipuri de autoinducători pot fi produși și detectați de mai multe specii de bacterii. Oamenii de știință investighează felul în care aceste molecule pot permite comunicarea între specii
Determinarea cvorumului și biofilmele
Unele specii de bacterii detectoare de cvorum formează biofilme, comunități de celule bacteriene atașate de suprafețe care se atașează una de alta și de substratul (suprafața de sub ele) lor. Biofilmele pot fi complexe, cu celule bacteriene organizate pentru a forma structuri ordonate, iar unele biofilme conține mai multe specii de bacterii coexistente.
Deși sunt multe lucruri nedescoperite despre biofilme, este din ce în ce mai clar că acestea joacă un rol esențial în sănătatea și bolile omului. De exemplu, S. aureus care colonizează suprafața unui caterer de mai sus sunt organizate într-un biofilm. Detectarea cvorumului poate juca un rol important în formarea, menținerea și descompunerea biofilmelor.
Semnalizarea la drojdii
Drojdiile care fermentează strugurii în vin, sau care determină creșterea pâinii, sunt eucariote monocelulare. Nu sunt nici animale, nici plante, ci un tip de fungi. (Yum!) Unele drojdii folosite în mâncare sunt prezentate în imaginea microscopică de mai jos.
Una dintre cele mai studiate căi de semnalizare la drojdii este calea factorului de reproducere. Drojdiile proiectate se pot împerechea într-un proces similar cu reproducerea sexuată, în care două celule haploide (celule cu un set de cromozomi, ca spematozoizii și ovulele la om) se combină pentru a forma o celulă diploidă (o celulă cu două seturi de cromozomi, precum celulele din corpul uman). Celula diploidă poate apoi trece prin meioză pentru a forma celule haploide cu noi combinații de material genetic.
Pentru a găsi o altă celulă haploidă de dorjdie gata pentru împerechere, dorjdiile înmugurite secretă o moleculă semnal numită factorul de împerechere. Există două versiuni ale factorului de împerechere, ca și pentru receptorul său, iar acest sistem poate ajuta drojdiile să se împerecheze cu alte drojdii care nu sunt rude apropiate. Legarea factorului de împerechere cu nu receptor compatibil declanșează o cascadă de semnale care determină drojdiile să producă o creștere pentru a se putea fuziona cu partenerul. Poți vedea detaliile acestei căi în vioclipul despre semnalizarea celulară în reproducerea drojdiilor
Dacă te uiți atent la calea de semnalizare a factorului de împerechere, vei vedea că include tipuri de molecule familiare de la oameni. De exemplu, receptorul factorului de împerechere este un receptor G cu proteina cuplată, și acționează printr-o cale se semnalizare cu MAp kinază precum cea folosită la oameni în semnalizarea factorului de creștere
Vrei să te alături conversației?
Nici o postare încă.