El quorum sensing es un fenómeno fascinante del mundo microbiano que ha despertado gran interés científico. Este mecanismo, utilizado por los microorganismos para comunicarse entre sí, tiene un papel crucial en la regulación de respuestas coordinadas. Pero, ¿qué es exactamente el quorum sensing y cómo funciona?
La relación como factor esencial para la vida
Todos los organismos vivos de nuestro planeta cumplen tres funciones vitales: nutrición, relación y reproducción. Mientras que la “nutrición” y la “reproducción” son esenciales para el mantenimiento de la vida y la preservación de la especie, la “relación” es necesaria para la interacción con el entorno y adaptación al medio.
En los seres pluricelulares, como animales, plantas y algunos hongos, la función de “relación” se cumple a dos niveles:
- La interacción del organismo completo con su entorno.
- La interacción entre las células que conforman al individuo y que permite su coordinación.
Por otro lado, los seres unicelulares, como levaduras (hongos), procariotas (bacterias y arqueas) y protozoos, también necesitan de esta función vital. Las distintas células, pese a no formar parte de un mismo individuo, siguen comunicándose entre sí y con el medio que las rodea para poder sobrevivir y desarrollarse.
¿Qué es el Quorum Sensing?
Consiste en la regulación de la expresión génica como consecuencia a fluctuaciones en la densidad de la población celular. Este fenómeno no se da solo en bacterias, sino también en otros microorganismos unicelulares que viven en comunidades.
Según la Real Academia Española, la palabra “quorum” significa “número de individuos necesario para que un cuerpo deliberante tome ciertos acuerdos”. En el contexto de las bacterias, hace referencia a la cantidad necesaria de células (densidad poblacional) que se debe alcanzar para poder regular determinados genes o comportamientos coordinados.
El quorum sensing se basa en la producción, liberación y detección por parte de las bacterias de señales químicas denominadas autoinductores. La concentración de estas moléculas en el medio aumenta de manera proporcional el aumento del número de células. Cuando la cantidad de autoinductores alcanza determinado umbral, comienza a influir en la expresión de genes.
Esta comunicación se da tanto dentro como entre distintas especies bacterianas y el tipo de autoinductores varía entre bacterias Gram-positivas y Gram-negativas. Además, algunos datos sugieren que estas moléculas pueden influir también en los organismos huéspedes.
Mecanismo del Quorum Sensing
Este fenómeno implica varios componentes básicos que trabajan a distintos niveles:
- Síntesis y liberación de autoinductores por parte de las bacterias.
- Receptores que permiten detectar los autoinductores y desencadenar respuestas dentro de la célula.
- Vías de señalización intracelular. Tras la unión del autoinductor a su receptor, se producen cambios en la expresión génica, ya sea activación o represión de genes específicos que controlan determinados comportamientos.
Importancia biológica del Quorum Sensing
Este mecanismo es capaz de activar un gran variedad de procesos fisiológicos como:
- Simbiosis mutualista. El quorum sensing permite que las bacterias coordinen su comportamiento para establecer relaciones beneficiosas con animales, plantas u otros microorganismos. Concretamente, este mecanismo puede regular la producción de metabolitos beneficiosos, la resistencia a patógenos y otros aspectos relevantes.
- Virulencia. Muchos patógenos regulan la expresión de genes relacionados con la virulencia mediante esta vía. Cuando las bacterias u otros microorganismos alcanzan una determinada densidad, comienzan a expresar factores de virulencia como toxinas o enzimas, potenciando su patogenicidad.
- Competencia. En una situación de recursos limitados, lo microorganismos pueden activar la expresión de genes que les confieren ventajas selectivas frente al resto.
- Conjugación. La conjugación bacteriana consiste en el intercambio de material genético entre bacterias, permitiendo transmitir genes que confieren características beneficiosas. Este proceso requiere un reconocimiento y adhesión entre células, la formación de un canal entre ellas y la copia y transferencia del ADN (plásmido) con los genes de interés. Todo este intercambio de información está regulado por el quorum sensing.
- Producción de metabolitos secundarios como antibióticos. Los metabolitos secundarios son moléculas que, si bien no son esenciales para la célula, le confieren características especiales. Los microorganismos son capaces de producir antibióticos como forma de competencia con otras especies o protección. Un claro ejemplo es la penicilina, que viene del hongo Penicillium notatum.
- Motilidad. Algunas bacterias pueden desarrollar estructuras que les permiten moverse en función de estímulos ambientales. Esta capacidad de desplazamiento puede ser importante para la colonización de superficies o la búsqueda de nutrientes.
- Esporulación. Las esporas, producidas por ciertos hongos o bacterias, son células con gran capacidad de dispersión y resistencia a condiciones adversas. El proceso de esporulación se desencadena por estímulos ambientales, estando regulado por el quorum sensing.
- Formación de biopelículas. Las biopelículas son comunidades microbianas que crecen en una matriz de polisacáridos y adheridos a una superficie. Esto les confiere protección contra factores ambientales, retiene nutrientes y metabolitos y favorece la simbiosis.
Ejemplos de Quorum Sensing en la naturaleza
- Vibrio fischeri: esta bacteria marina utiliza el quorum sensing para regular la generación de bioluminiscencia. Cuando se encuentran en simbiosis con otros organismos, como el calamar, alcanzan altas densidades celulares y producen gran cantidad de luciferina y luciferasa, dando lugar a una reacción que produce luz visible.
- Pseudomonas aeruginosa: una bacteria patógena oportunista que solo afecta a huéspedes con el sistema inmune debilitado. Destaca por su capacidad de formar biopelículas con alta capacidad de colonización y resistencia a estrés, fagocitosis y antibióticos. Todo esto está favorecido por el quorum sensing, al promover la expresión de varios factores de virulencia.
- Candida albicans: hongo comensal en humanos que puede volverse patógeno. Destaca el farnesol, una molécula de quorum sensing que regula la morfología, formación de biopelículas, induce muerte celular en otros hongos y controla el crecimiento de hifas.
Impacto
Este mecanismo regula una gran variedad de procesos biológicos en la naturaleza y su estudio ha proporcionado mejor comprensión de la biología microbiana y del impacto en la ecología e interacción entre organismos.
Uno de los aspectos más destacados del quorum sensing es su papel en la virulencia, la patogenicidad y la formación de biopelículas en bacterias patógenas. Todo esto contribuye a la resistencia a antibióticos, siendo un problema de salud global cada vez más importante. Comprender los mecanismos subyacentes y desarrollar estrategias para interferir en estas interacciones puede ser muy importante para el control y tratamiento de enfermedades causadas por patógenos.
Sin embargo, la comunicación por quorum sensing no siempre se da en un aspecto negativo. En muchos casos, facilita interacciones beneficiosas entre organismos, como es el caso mencionado anteriormente de simbiosis mutualista entre el calamar y Vibrio fischeri. Así, la bacteria encuentra un lugar para vivir y nutrirse en el cuerpo del calamar a cambio de protegerlo de depredadores ocultando su sombra mediante bioluminiscencia.
Además, en entornos como la rizosfera (región del suelo que rodea las raíces de las plantas), las poblaciones de microorganismos utilizan el quorum sensing para regularse mutuamente e interactuar con la planta. Esto permite una cooperación eficiente entre las bacterias del suelo y las plantas, mejorando la absorción de nutrientes y la resistencia a patógenos.
Conclusiones y perspectivas
El quorum sensing ha despertado mucho interés en la comunidad científica, lo que se refleja en los crecientes estudios y búsqueda de aplicaciones prácticas. Aunque la idea de interferir en esta forma de comunicación puede ser prometedora, es importante reconocer su complejidad y dinamismo, que aún no se comprenden por completo.
Queda mucho por descubrir acerca de cómo funcionan estas vías de señalización, qué eventos regulan y cómo intervenir en ellas sin perturbar otros procesos biológicos. Por ello, es necesaria más investigación que permita aprovechar de manera práctica y segura el potencial del quorum sensing en diversas aplicaciones.
Bibliografía
- Miller, M. B., & Bassler, B. L. (2001). Quorum sensing in bacteria. Annual review of microbiology, 55, 165–199. https://doi.org/10.1146/annurev.micro.55.1.165
- Reading, N. C., & Sperandio, V. (2006). Quorum sensing: the many languages of bacteria. FEMS microbiology letters, 254(1), 1–11. https://doi.org/10.1111/j.1574-6968.2005.00001.x
- Amador, H. J., & Clarà, P. C. (2012). Comunicación bacteriana y comunicación humana: ¿qué podemos aprender del «quorum sensing»? Archivos de Bronconeumología, 48(9), 305-307. https://doi.org/10.1016/j.arbres.2012.02.011
- Santos, Antonio & Domingo, Marquina & Serrano, Susana. (2010). Bioluminiscencia bacteriana. Reduca. 3. 75-86.
- Thi, M. T. T., Wibowo, D., & Rehm, B. H. A. (2020). Pseudomonas aeruginosa Biofilms. International journal of molecular sciences, 21(22), 8671. https://doi.org/10.3390/ijms21228671
- Wisniewski-Dyé, F., & Downie, J. A. (2002). Quorum-sensing in Rhizobium. Antonie van Leeuwenhoek, 81(1-4), 397–407. https://doi.org/10.1023/a:1020501104051
- Su, Y., & Ding, T. (2023). Targeting microbial quorum sensing: the next frontier to hinder bacterial driven gastrointestinal infections. Gut microbes, 15(2), 2252780. https://doi.org/10.1080/19490976.2023.2252780
