Quorum Algılama (Quorum Sensing): Hücreler, Birbiriyle Nasıl Konuşur?

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. 

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.

Nurses Labs

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 bakterilerle bile konuşabiliyor. Diğer yandan ökaryotlar da quorum söndürücü (quorum quencher) adı verilen sinyal molekülleri salgılayarak bu iletişimi bloke edebiliyor. 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.

Photobiology

Quorum algılama (İng: 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 algılama (İng: 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.

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.

Mantarlarda Quorum Algılama Mekanizması

Bakterilerde QS (Quorum Sensing) konusundaki bilgilerin artmasıyla beraber, ökaryotik mikroorganizmalardaki QS mekanizması farnesol adlı kimyasalın keşfine kadar bilinmemekteydi. Farnesolün keşfiyle birlikte, son yıllarda bu konu ile ilgili çok sayıda çalışmalar yapılmıştır.

Candida albicans, QS sistemine sahip olan dimorfik bir mantardır. C. albicans’ın patojenite sürecinde tomurcuklanmış maya ve hif formu arasındaki dönüşümlerin önemli olduğu bilinmektedir. Uzun süren gözlemler sonucunda C. albicans’taki gelişimin 106 hücre yoğunluğunun altında filamentöz olarak, 106'nın üzerindeki yoğunluklarda ise tomurcuklanan hücre formunda olduğu bulunmuştur. C. albicans’ta bu davranışın farnesol ismi verilen bir QS molekülü tarafından düzenlendiğini bulmuşlardır. Farnesol ilk kez C. albicans’ta keşfedilmiştir ve mantarlarda biyofilm oluşumu ile QS mekanizması arasındaki ilişkiyi ortaya koymaya yönelik araştırmalar çoğunlukla C. albicans ile yapılmıştır.

C. albicans biyofilmlerinde biyofilm yapısı; bazal maya tabakası, yoğun hif yapısı ve hücre dışı matriksten oluşmaktadır. Buradan yola çıkıldığında, farnesol yoğunluğu da dikkate alınarak farnesolün biyofilm oluşumunu engelleyebileceği düşünülmüştür. Farnesol yoğunluğu 300µM/l’ ye ulaştığında biyofilm oluşumu tamamen engellenmektedir.

European Pharmaceutical Review

Farnesolün keşfinden bu yana farklı QS molekülleri farklı fungal türlerde de tanımlanmıştır. Cryptococcus neoformans'taki peptid-1, Aspergillus nidulans’ta bulunan oksilipinler ve C.albicans’ta filamentasyonu indükleyen tirozol diğer QS moleküllerine örnek teşkil etmektedir. Saccharomyces cerevisiae'de ise feniletanol ve triptofoller düşük konsantrasyonlarda psödohifal büyümeyi uyaran aromatik alkollerdir. Bu bileşikler C. albicans tarafından da üretilmektedirler.

Tirozol, farnesolden sonra keşfedilen ikinci QS molekülüdür. Tirozol de farnesol gibi yoğunluk bağımlı olarak morfogenezi düzenlemektedir. C.albicans ile yapılan çalışmalarda, tirozol bakımından daha seyreltik kültürlerde germ tüp oluşumunun hızlandığı gösterilmiştir. Bu sonuçtan yola çıkarak C. albicans morfogenezinin çevresel koşullara bağlı olarak kontrol edildiği düşünülmektedir.

Farnesol, Aspergillus nidulans kültürlerine eklendiğinde germ tüp oluşumunu etkilememekte; ancak bu mantarlarda apoptozu tetiklemektedir. Farnesol kaynaklı apoptoz, mitokondriyal fonksiyon ile ilişkildir. A. nidulans ve C.albicans aynı besiyerinde birlikte kültüre edildiklerinde A. nidulans’ın üremesi engellenmiştir, bu sonuç farnesolün diğer mikroorganizmalarla rekabeti azaltabileceğini düşündürmektedir.

A. nidulans’ın aksine A. niger’de farnesol mantarın üremesine etki etmemekte ancak morfolojisinde önemli değişiklikler meydana getirmektedir. 10 mM’dan daha yüksek farnesol konsantrasyonlarında, konidyasyon tamamen baskılanmakta ve cAMP’ in hücre içi seviyesinde 10 kat azalma meydana gelmektedir.

Dichtl ve arkadaşları. farnesolün A. fumigatus üzerindeki etkilerini araştırdıkları çalışmalarında; A. fumigatus’un yabanıl tip suşlarının üremesinin inhibe olduğunu, bununla beraber Dmnt1 ve DglfA olarak adlandırılmış iki hücre duvar mutantlı suşlarının farnesole daha duyarlı olduğunu bulmuşlardır. Bu duyarlılığın, osmotik stabilizasyon ile kısmen azalması, farnesolün A. fumigatus için hücre duvarını bozan bir madde olduğunu düşündürmektedir.

Mantarlarda QS çalışmaları, bakterilere kıyasla oldukça yeni olmasına rağmen QS mekanizmaların aydınlatılabilmesi için çok çeşitli çalışmalar yapılmaktadır. Mikrobiyal hastalıkların tedavisinde mevcut antibimikrobiyallere alternatif olarak mikroorganizmalarda QS mekanizmasına karşı inhibitör maddelerin keşfinin tedavi başarısı açısından oldukça önemli olduğu göz önünde bulundurulduğunda, QS mekanizmasının aydınlatılmasının önemi bir kez daha vurgulanmış olacaktır.

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.

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. Hep Darwin’e atfedilen (ama onun söylemediği) şu sözde söylendiği gibi:

Ne en güçlü olan tür hayatta kalır, ne de en zeki olan. Değişime en çok adapte olabilendir, hayatta kalan…