Hücrelerin Konuşması: Quorum Sensing

Bu yazı, Evrim Ağacı'na ait, özgün bir içeriktir. Konu akışı, anlatım ve detaylar, Evrim Ağacı yazarı/yazarları tarafından hazırlanmış ve/veya derlenmiştir. Bu içerik için kullanılan kaynaklar, yazının sonunda gösterilmiştir. Bu içerik, diğer tüm içeriklerimiz gibi, İçerik Kullanım İzinleri'ne tabidir.

Canlılık ve İletişim

Bildiğiniz gibi canlılık dediğimiz biyokimyasal süreci temelde, çok hücreli ve tek hücreli diye sınıflandırıyoruz. Bir de virüs ve prion gibi hücre yapısı bulundurmadığı halde tartışılan ayrı bir konu var. Zaten canlılık tanımı kesin olarak yapılabilmiş değil. Çünkü evrende böyle bir ayrım yok. Biz insanlar "anlamak" ve taksonomik sınıflandırmaları gerçekleştirmek adına bu ayrımı yapıyoruz.

Canlılığın en önemli kriterlerinden biri de iletişimdir. Çok hücreli organizmalarda parakrin, otokrin, juxtakrin, endokrin gibi sinyalleşme (iletişim) yöntemleri vardır. Mesela otokrin, hücrelerin kendi kendisi ile konuşması, sinyalleşmesidir. Salınan sinyal molekülü, yine o hücrede sinyal cevabı oluşturur. Endokrin ise salınan molekül, kan yolu ile uzak hücrelerde sinyal oluşturur. Kısaca bu moleküllere “hormon” denir. Bağışıklık sisteminin kullandığı sitokin isimli protein yapılı sinyal molekülleri hücreler arası iletişime en güzel örneklerden biridir. Diğer yandan sitokinlerin alt gruplarından olan kemokinleri de örnek verebiliriz. Kemokinler doğrudan kemotaksi (kimyasal maddeye doğru hareket) ile ilişkilidir ve hücreleri olay mahalline çeker. 

Uzun süren boğaz enfeksiyonu sonrasında gelişen kalp enfeksiyonu (kardit) ve bakteri biyofilmi.
Uzun süren boğaz enfeksiyonu sonrasında gelişen kalp enfeksiyonu (kardit) ve bakteri biyofilmi.
Nurses Labs

Akut Romatizmal Ateş ve Otoimmün Hastalıklar

Bildiğiniz gibi bazı immün sistem hücreleri hareket edebilir ve ona söylenen antijene saldırırlar. Elbette hiçbir şey kusursuz olmadığı için bazen kafaları karışır ve kendi dokularına saldırabilirler. Tıpta bu alandaki hastalıklara otoimmün hastalıklar denir. Mesela akut romatizmal ateş (ARA) adı verilen hastalık, uzun süren boğaz enfeksiyonları sonrasında genellikle kalp kapağında enfeksiyon gelişmesidir. Çok uzak organlar gibi gözükebilir. Fakat antijen benzerliği sonucu immün sistemin kafasının karışması yüzünden gerçekleşir. Boğazı enfekte eden Streptococcus veya Staphylococcus cinsi bakteriler -ki genelde A grubu beta-hemolitik Streptococcus etkenidir- sonucu antijen benzerliği olur. Şöyle ki, hastalığın nedeninden (etiyoloji) sorumlu boğazı enfekte eden bakteri, uzun süre boyunca immün cevap oluşturursa bir süre sonra bakterinin protoplast membranında bulunan M proteini ile insanın miyokard (kalp kası) sarkolemma zarı ve kalp kapağında bulunan glikoproteini arasında benzerlik olduğu için bağışıklık sisteminin kafası karışır. Yani kalp kapağının dokusu, bakteri yüzeyi ile benzer olduğu bağışıklık sistemi hücreleri kalbe de saldırarak otoimmün yanıt oluştururlar. Sonuçta kalp enfeksiyonu (kardit) gelişebilir. Çünkü uzun süredir söz konusu bakterilerle savaşıyorlardır. Artık vücudun verdiği yanıt hayli yüksektir. Bu yüzden genelde kalp kapağına saldırarak romatizmal ateş yaparlar. Sonra tedavi edilmediği sürece iyice yayılabilirler. Ayrıca belirtmekte fayda var, tıpta terminolojik (Latince) olarak "-it" eki, o organın enfeksiyon kapması anlamına gelir. Örneğin apandisit, perikardit veya tonsilit gibi... Apandisit diye bir organ yoktur. Bu enfeksiyon gelişmesine verilen isimdir. Organın asıl ismi apandis (appendix vermiformis) şeklindedir.

Bakterilerin Konuşması

“İlkel” diye nitelendirdiğimiz çekirdeksiz, kompleks organelleri bulunmayan bakterilerin bile bulunduğu popülasyondaki bakteri sayısını fark edebildiği ve diğerleri ile konuşarak gen ekspresyonlarını düzenleyebildiği anlaşıldı! Buna quorum sensing veya quorum algılama adı verilir. Üstelik sadece kendi türleri ile de değil. Türler arası (interspecies) da konuşabiliyorlar. Örneğin bir Streptococcus pyogenes, sadece S. pyogenes ile değil diğer Streptococcus türü bakteriler hatta ökaryotik hücrelerle bile konuşabiliyor. Hatta alemler arası da konuşabiliyor! Adeta evrensel bir dil gibi… Gelişmiş olarak övündüğümüz biz Homo cinsi üyeleri bile henüz cinsler arası iletişim dahi kuramıyoruz. İşte bu sayede bakteriler sporulasyon, gen transferi, konjugasyon, biyolüminesans, biyofilm oluşumu, antibiyotik direnci, virülans faktörleri gibi birçok fonksiyonun düzenlenmesi için bu haberleşmeden yararlanıyorlar.

Petri kabındaki biyolüminesans bakteri kolonisi.
Petri kabındaki biyolüminesans bakteri kolonisi.
Photobiology

Quorum sensing, bakterilerin iletişimidir. Bulundukları popülasyondaki birey sayısını fark etmelerini sağlar. Etrafında olan bitenleri anlarlar ve “konuşurlar.” Buna göre yapması gereken işi düzenlerler. Quorum sensing, ilk olarak Vibrio fischeri isimli simbiyotik bakterilerde gözlemlendi. Bu tür bakteriler, Hawaii’ye özgü mürekkepbalığının fotofor adlı ışık üreten biyolüminesans organlarında kimyasal enerji ile ışık üretiyorlar. Tıpkı sindirimimize yardımcı olan bakteriler gibi, mürekkepbalığına da yardımcı olan milyonlarca ekip üyesi var. Zaten organizma diye tanımladığımız biyolojik terimin aslında bir hücre topluluğu olduğunu unutmamak gerekir. Peki üretilen bu ışık mürekkepbalığına ne gibi fayda sağlıyor? İşte bu ışık mürekkepbalığını avcılardan koruyor. Mürekkepbalığına alttan yüzeye doğru bakıldığında, gölge oluşturmasını engelleyerek yüzey ışığı altında kamuflaj sağlıyorlar. Tıpkı köpekbalığının alt tarafının beyaz, üst tarafının koyu renkli olması gibi.

Yapılan deneyde görüldüğü üzere bakteriler az miktardayken ışık üretmiyor. Belli bir seviyeye ulaştıklarında aynı anda ışık saçmaya başlıyorlar. Alexander Thomas 1960’ların başında bu konudaki fikirlerin temelini attı. Şimdi ise deneysel olarak da kanıtlandı ve gözlemlendi.

Moleküler Mekanizması

Quorum sensing adlı iletişim için her bakteri, herhangi bir tepki vermeden önce adeta oy verirmiş gibi ortama autoinducer adlı molekülleri salgılar. Çünkü tek başına etkisiz olacağının farkındadır. Örneğin bir hayvanın vücudunda belli bir seviyeye ulaşmadan saldırmak istemez. Bu onu hem savunmasız bırakır, hem de belli bir miktarda enerji kaybı yaşatır. Eğer bu sinyal molekülü belli bir seviyeye ulaşırsa bakterinin yüzey reseptörüne bağlanır ve hücreye alınır. İçeri alındıktan sonra düzenleyici (regülatör) proteine bağlanarak DNA’daki spesifik operon bölgesine oturur. Böylece tekrardan autoinducer ve regülatör protein üretimini artırır. Sonuçta ortamdaki popülasyon yoğunluğunu ölçmüş olur. Kaç tane arkadaşı var anlar. Sonuçta vereceği cevabı, tepkiyi düzenler. Aynı şekilde evrimsel süreçteki uyum başarısını da artırmış olur.

Bakteri gram boyaları.
Bakteri gram boyaları.
Catherine Stanley

Bakteriler, hücre duvarlarının yapısına göre gram-negatif ve gram-pozitif diye iki temel gruba ayrılır. Bu gruplar gram boyanma sürecinde kristal viyole isimli boyanın hücre duvarlarını tutma gücüne göre sınıflandırılır. Gram-negatif bakteriler daha ince duvara sahip oldukları için boyayı tutmazlar. Böylece gram-pozitif bakteriler, alkolle yıkandıktan sonra mavi rengi tutmaya devam ederken, gram-negatif bakteriler mavi rengi kaybederler. Ayrıca gram-negatif bakteriler hücre duvarlarında endotoksin olan LPS (lipopolisakkarit) bulundururlar. Bu sayede vücuda girdiklerinde toksin üretmeden dahi hastalık yapabilirler ve tedavileri daha zordur.

Gram-negatif bakterilerde autoinducer molekülleri açil homoserin lakton (AHL) yapısında iken, gram-pozitif bakterilerde bu moleküller oligopeptid yapısındadır. Aynı zamanda her ikisinde de ortak olan autoinducer-2 (AI-2) molekülü vardır. Hücre duvarları farklı yapıda olduğu için reseptör farkları mevcut. Bu yüzden de sinyal molekülleri farklı. Bu sinyal molekülleri, diğer bakterilerin hücre duvarından içeri alınır ve DNA'daki lokasyonuna oturur. Ardından gen ekspresyonu artar ve çeşitli bilgiler iletir. Tıpkı güvercinle mektuplaşmak gibi. Sanki çok hücreliymiş gibi davranan bakteriler aslında bize çok hücreliliğin evrimsel kökenini gösterirler. Yani tek hücrelilikten çok hücreliliğe geçişi bu şekilde daha güzel anlayabiliyoruz.

Antibiyotikler Açısından Önemi

Bunu anlamak bize aynı zamanda tıp alanında da yardım edecektir. Yeni nesil bakteriyostatik antibiyotiklerin yapımında kullanabiliriz. Bakterisit olan antibiyotikler bakterileri öldürürken, bakteriyostatik antibiyotikler bölünmelerini, yani çoğalmalarını engeller. Eğer quorum sensing’i engellersek, virülans kazanamazlar ve hastalık yapamazlar. Çünkü sinyal molekülleri hücreye alınamazsa, bakteri de ortamdaki popülasyonun farkına varamayacaktır ve harekete geçmeyecektir. Günümüzde yeni popülerleşen çalışmalar devam ediyor. İşte bunlar geleceğin antibiyotikleridir. Çünkü bildiğiniz gibi Alexander Fleming ve küf mantarı ile başlayan bu antibiyotik serüveninde birçok bakteri, çeşitli antibiyotik tipine karşı direnç kazanmıştır. Sonuçta evrimin kaçınılmaz sürecidir.

İnsan sağlığı açısından önemli birkaç bakteri türü.
İnsan sağlığı açısından önemli birkaç bakteri türü.
The Longitude Prize

1940’lı yıllarda kullanıma giren penisiline yine aynı yıllarda beta-laktamaz üreten bakteriler doğal seçilim ile seçilerek direnç kazanmıştır. Beta-laktamaz, penisilin gibi beta-laktam içeren antibiyotiklerin bu halkasını hidroliz (suyla parçalayarak) ederek antibiyotiğin etkisini yitirmesine neden olan bir enzimdir. Beta-laktamaz içermeyen bakterileri öldürürsek, bu enzimi içerenler hayatta kalacak ve çoğalacaktır. Hatta bu bakteriler, gen transferi yöntemi ile başka bakterilere plazmidler aracılığıyla ulaştırarak onların DNA’sına bile yerleştirebilecektir. Böylece onlar da bu enzimi sentezleyebileceklerdir. Bu yüzden beta-laktamaz inhibitörleri üretilmek zorunda kaldı ki bakteriler antibiyotikleri beta-laktam halkasını parçalamasın.

20 yıl sonra beta-laktamaza dirençli yarın sentetik penisilinler üretildi. Kısa süre sonra bu antibiyotiklere de direnç gelişti. Daha sonra glikopeptid yapıdaki antibiyotikler üretildi. Ne yazık ki 2002’de de bu antibiyotiklere ilk dirençli Staphylococcus aureus bakteri suşu tanımlandı. Şimdi yine aynı durumdayız. Darwin’in de dediği gibi; “Ne en güçlü olan tür hayatta kalır, ne de en zeki olan. Değişime en çok adapte olabilendir, hayatta kalan…”

Kaynaklar ve İleri Okuma:

  • Ana Görsel Kaynağı: Yersinia enterocolitica
  • Annu Rev. (2018). Quorum sensing in bacteria.. PubMed, sf:165-99..
  • Bonnie Bassler. How bacteria . (2013, Şubat 08). Alındığı Tarih: 26 Ağustos 2018. Alındığı Yer: Youtube
  • Ali Osman Köksal, et al. (2018). Akut Romatizmal Ateş. Türkiye Pediatri Dergisi, sf:283-296.

Yılan kartalı (Circaetus gallicus)

Yüzük Parmağı, Diğer Parmakların Aksine Doğrudan Kalbe mi Bağlıdır?

Biyoloji Genel Editörü

Pedram Türkoğlu

Pedram Türkoğlu

Biyoloji Genel Editörü

Bülent Ecevit Üniversitesi Tıp Fakültesi'nde eğitim görüyor. İlgilendiği bilim dalları paleobiyoloji, zooloji, anatomi, immünoloji, mikrobiyoloji, tıp ve evrimsel biyolojidir.

Konuyla Alakalı İçerikler
  • Anasayfa
  • Gece Modu

Göster

Şifremi unuttum Üyelik Aktivasyonu

Göster

Göster

Şifrenizi mi unuttunuz? Lütfen e-posta adresinizi giriniz. E-posta adresinize şifrenizi sıfırlamak için bir bağlantı gönderilecektir.

Geri dön

Eğer aktivasyon kodunu almadıysanız lütfen e-posta adresinizi giriniz. Üyeliğinizi aktive etmek için e-posta adresinize bir bağlantı gönderilecektir.

Geri dön

Close
Geri Bildirim