شاید این تفکر وجود داشته باشد که میکروارگانیسم ها از قبیل باکتری ها قارچها و تک یاخته ها... هیچ گونه ارتباطی با یکدیگر نداشته و به صورت کاملا تک سلولی زندگی می کنند. اما آیا میدانید که این تصوراشتباه بوده و باکتری ها نه تنها با یکدیگر بلکه با دیگر پروکاریوت ها و یوکاریوت ها ارتباط برقرار کرده و رفتار خود و آنها را در مواجهه با محیط پیرامون تغییرمیدهند؟!

چگونه qourom sensing   به عنوان سوال برای دانشمندان مطرح شد؟

 در اعماق دریا، جایی که اثری از نور خورشید نیست ماهی هایی زندگی میکنند که از روش جالبی برای شکار استفاده میکنند.

آنها در کنار چشم خود کیسه ای دارند که از خود نور ساطع می کند و در تاریکی اعماق دریا ماهی ها و نرم تنان کوچک دریایی جذب این نور می شوند و ماهی آنها را شکار میکند. محققان زمانیکه به دنبال منشاء این نور ماهی را مورد برسی قرار دادند متوجه شدند که این نور نتیجه همزیستی بین باکتری ها و ماهی است.در این همزیستی جمع کثیری از باکتری ها با خاصیت Bioluminescence (نور دهی زیستی) در این کیسه جمع شده و تولید نور میکنند و ماهی نیز شرایط پایداری برای آنها بوجود می آورد.

نکته جالب توجه این است که این باکتری ها زمانیکه بصورت تک سلولی و آزاد در دریا زندگی میکنند هیچ گونه نوری از خود تولید نمی کنند ! باکتری ها چگونه از تعداد باکتری های اطراف خود با خبر میشوند؟ شما این پدیده را چگونه توجیه میکنید؟

در دهه 1960 خانم دکتر بانی باسلر (Dr.Bonnie Bassler)و همکاران با کار بر روی باکتری دریا زی Vibrio harveyi که دارای پدیده بیولومیننس (نور دهی زیستی) می باشد به این سوال پاسخ دادند. آنها مواد شیمیایی را در محیط زندگی این باکتریها یافتند که آن را مسئول پدیده qourom sensing اعلام کردند!

حال که تاریخچه مختصری از (qourom sensing) را بیان کردیم به شرح چگونگی و مکانیسم انجام این پدیده زیبا و شگفت انگیز میکروب شناسی پرداخته و تفاوت های آن در بین باکتری های مختلف و اهمیت آن در علم میکروب شناسی را ذکر خواهیم کرد.

سیستم درک حد نصاب یا qourom sensing چیست؟

در واقع در این پدیده ، باکتری ها از تعداد باکتری های اطراف خود با خبر شده و بر اساس اینکه تعداد آنها زیاد یا کم است رفتار خود را در مواجهه با محیط پیرامون تنظیم می کنند آنها همچنین به واسطه این پدیده رفتار خود را با یکدیگر نیز هماهنگ می کنند به طوریکه در یک توده باکتری که حال به حد نصاب کافی رسیده و این حدنصاب را درک کرده اند ، برای مثال همگی تولید آلژینات کلسیم کرده و توده مذکور به صورت یک کلنی موکوییدی درآمده ودر نتیجه مقاومت فوق العاده ای نسبت به عوامل خارجی میابد و این درحالیست که باکتری های مذکور زمانیکه به صورت تک سلولی و با تراکم کمی در محیط وجود دارند این ماده را تولید نمی کنند و نیازی هم به تولید آن ندارند زیرا میزان آن زمانیکه به تنهایی توسط یک باکتری تولید میشود به قدری کم است کار زیادی را از پیش نخواهد برد و فقط امری هزینه بر برای باکتری محسوب میشود.مثال دیگر باکتری ها فرصت طلبی هستند که در محیط میزبان خود رشد کرده بدون اینکه به آن آسیبی بزنند حال زمانیکه تعداد این باکتری ها به تعداد مشخصی افزایش یابد که بتوانند به سیستم ایمنی میزبان غلبه کنند از حالت فرصت طلب خارج شده و چهره ای تهاجمی به خود میگیرند .

این سیستم چگونه کار می کند؟

باکتری هایی که از این سیستم استفاده می کنند پیوسته مولکول های شیمیایی ویژه ای بنام خود القا کننده یاAI (autoinducers) را به مقدارکم تولید کرده و به بیرون ترشح می کنند،این باکتری ها برای مولکول هایAI دارای رسپتور می باشند ( به همین خاطر این مواد را خود القا کننده یا autoinducers می نامند زیرا موجب تحریک خود باکتری هم می شوند). زمانیکه این باکتری ها در محیط کم باشند مقدار این مولکول ها متناسب با تعداد باکتری ها در محیط کم بوده و در نتیجه تحریکی صورت نمی گیرد. پیوسته که بر تعداد این باکتری ها افزوده شود این مولکول ها نیزبه تعداد هر باکتری در محیط افزایش می یابد تا اینکه در یک غلظت معین تعداد خاصی از رسپتورهای باکتری ها را اشغال کرده حال باکتری تحریک شده و با بیان برخی از ژنها تولید محصول خاصی را می کند، این ژنهای فعال شده می توانند ژنهای ویرولانس باکتری باشند یا تولید پلی ساکارید خارج سلولی را بکنند که در تشکیل بیوفیلم .... نقش دارد.

 

((نحوه عملکرد سیستم درک حدنصاب qourom sensing))

پس دریافتیم که :

الف) qourom sensing وابسته به تراکم باکتری هاست

ب ) توسط مولکول های شیمیایی اعمال می شود

ج )برای این مولکولها ، باکتری دارای رسپتور میباشد

حال این سوالات پیش می آید که :

ü آیا فقط یک نوع اتو ایندیوسر(autoinducers) یاAI وجود دارد یا انواع مختلفی از آنها وجود دارد؟

ü آیا qourom sensing در بین باکتری ها اختصاصی است و فقط باکتری هایی از یک گونه مشترک می توانند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند یا خیر؟

ü آیا پدیده qourom sensing در هر دونوع باکتری های گرم منفی و گرم مثبت دیده میشود؟

در ادامه سعی می کنیم به این سوالات پاسخ دهیم.

به طور کلی اتو ایندیوسر ها (AI) به دو دسته تقسیم میشوند، اتو ایندیوسرهای نوع یک (AI_1) که کاملاً اختصاصی عمل می کنند و برای ارتباط بین باکتری از یک گونه مشابه به کار می روند . اتوایندیوسر های نوع دو (AI_2) که به عنوان زبان بین المللی باکتری ها عمل می کنند و نه تنها برای ارتباط بین باکتری ها از گونه ها متفاوت به کار می رود بلکه به باکتری این امکان را می دهد که با میکروارگانیسم هایی همچون قارچ ها و تک یاخته ها ارتباط برقرار کرده و رفتار خود و آنها را در یک جمعیت میکروارگانیسمی با هم هماهنگ کنند. پدیده qourom sensing در هردو گروه باکتری های گرم مثبت و گرم منفی با تفاوت هایی دیده میشود.

تفاوت qourom sensing در بین باکتری های گرم مثبت و باکتری های گرم منفی:

qourom sensing در باکتری های گرم مثبت و گرم منفی علی رغم مکانیسیم یکسان ، دارای تفاوت هایی به شرح زیر می باشد:

الف) اتوایندیوسرهای باکتری های گرم مثبت دارای جنس پپتیدی میباشند و این در حالیست که باکتری های گرم منفی دارای اتوایندیوسرهایی با جنس غیر پپتیدی می باشند که دارای یک هسته (AHL) آسیل هموسرین لاکتون بوده و یک زنجیره کربنی به آن متصل می شود این زنجیره کربنی در باکتری های گرم منفی مختلف متفاوت بوده و درنتیجه این اتوایندیوسر را برای آن گونه کاملاً اختصاصی می کند

                                     

((آسیل هموسرین لاکتون(AHL) ، زنجیره جانبی به جایR قرار میگیرد))

 

در مورد اتوایندیوسرهای نوع دو (AI_2) که برای ارتباط بین گونه های مختلف به کار می رود باید گفت که در بیش از 55 گونه باکتریایی یافت شده، ترکیب آن فورانوزیل بورون دی استر (furanosyl boron diester)بوده و فاقد تنوع در گرم منفی ها و گرم مثبت ها است.

 

                                        

                     اتوایندیوسر نوع دو (AI_2) فورانوزیل بورون دی استر (furanosyl boron diester)

ب ) رسپتور (AI) اتو ایندیوسرها در گرم مثبت ها در غشای سیتوپلاسمی آنهاست و این در حالیست که این رسپتورها در گرم منفی ها درون سیتوپلاسم آنهاست. رسپتور این (AI) ها در باکتری های گرم مثبت عموماً از نوع ABC transporter system می باشد و به علت قابل انتشار بودن (diffusible) این (AI) ها در گرم منفی ها ، به راحتی از غشاء قابل انتشار بوده و به همین دلیل رسپتور آنها درون سیتوپلاسم باکتری است.

 


((تفاوت qourom sensing در باکتری های گرم مثبت و گرم منفی))

از اعمالی که به واسطه qourom sensing کنترل میشوند به موارد زیر میتوان اشاره کرد:

· همزیستی Symbiosis(ایجاد پدیده همزیستی بین باکتری و دیگر موجودات)

· ویرولانس Virulence (شدت بیماری زایی باکتری ها)

· ایجاد Competence cell (سلول دارای صلاحیت در پدیده کونجوگاسیون)

پدیده کونجوگاسیون(Conjugation) ·

· تولید آنتی بیوتیک antibiotic production (میدانیم که برخی باکتریها تولید آنتی بیوتیک می کنند)

 · تحرک Motility (برخی باکتری ها متحرک می شوند و برخی دیگر تحرک خود را از دست میدهند)

· تشکیل اسپور Spore formation

· تشکیل بیوفیلم biofilm formation

همانطور که می بینید بسیاری از پدیده های مهم باکتری شناسی که تا امروز می شناختیم تحت تاثیر qourom sensing است که متاسفانه برخلاف اهمیت آن در کتاب های میکروبشناسی بسیار کم به آن پرداخته شده است!

مهار کننده های پدیده qourom sensing و اهمیت آن :

در اقیانوس ها و دریا ها تنوع زیستی بسیار متنوعی همراه با روابط فوق العاده پیچیده ی اکولوژیکی وجود دارد که پیوسته دانشمندان را متحیر خود ساخته است ، و بعضاً ایده های بسیار جالبی را در ذهن خلاق آنها بوجود آورده است ، تعداد پیشرفت هایی که در زمینه باکتری شناسی از دریا منشاء گرفته است نیز بی شماراست! در رابطه با پدیده qourom sensing نیز مشاهدات جالبی در سواحل استرالیا صورت گرفته است که ذکر آن خالی از لطف نیست.

در سواحل استرالیا جلبک هایی به نام جلبک قرمز وجود دارد که آنها نیز همانند دیگر موجودات کره خاکی از دست باکتری ها در امان نمانده و مقدار بسیار زیادی باکتری در سطح آن رشد کرده و مشکلات زیادی در رابطه با جذب مواد غذایی از محیط برای آنها به وجود می آورد ، در گونه ای از این جلبک ها به نام Delisea pulchra مشاهده شد که باکتری ها دیگر به سطح آنها نچسبیده و مشکلات فوق درآنها دیده نمی شود. فکر می کنید چه اتفاقی رخ داده است؟

باکتری هایی که به سطح این جلبک ها متصل می شوند تولید اتوایندیوسر هایی را میکنند که تجمع دیگر باکتری ها را به آن نقطه فرا می خواند ، اما جلبک Delisea pulchra ماده ای به نام furanones تولید می کند که شباهت ساختاری بسیار زیادی با AHL (1-autoinducer) دارد. این ماده همان طور که انتظار می رود موجب اشغال شدن رسپتورهای باکتری شده ولی بیان ژنهایی را که منجر به تولید فاکتور های اتصال به جلبک رامیشود تحریک نمی کند. در واقع مانند یک مهار کننده رقابتی عمل میکند. امروزه انواع بسیار زیادی از این مهار کننده از طبیعت بدست آمده است.

 

                     

((استوانه وسط آغشته به ماده furanones می باشد به عدم رشد باکتری ها و دیگر عوامل متصل شونده به آنها توجه کنید))

نوعی دیگر از دفاع بدن علیه میکروارگانیسم ها:

آقای J. Woodland Hastings عضو دپارتمان بیولوژی سلولی ومولکولی دانشگاه هاروارد امریکا در سال مکانیسم دفاعی بسیار جالبی را در پستانداران علیه Pseudomonas aeruginosa در بیماری سیستیک فیبروسیز شرح داد ، وی مشاهده کرد که سلولهای اپتلیال در برونش های (ریه) افراد سالم در حالت عادی از خود ماده ای ترشح میکنند که با عملکرد آنزیمی به تجزیه اتوایندیوسرهای دخیل در فرایند qourom sensing می پردازند!

اخیراً نیز مشاهده شده است که افرادی که از لحاظ ژنتیکی نقص در تولید این مهارکننده های آنزیمی دارند درصد بالاتری از موارد ابتلا به بیماری سیستیک فیبروسیز دیده می شود! لازم به ذکر است که در افراد بیمار Pseudomonas aeruginosa با ایجاد یک سد مکانیکی از جنس آلژینات کلسیم مقاومت فوق العاده ای نسبت به دفاع میزبان و آنتی بیوتیک ها پیدا می کند.

نوعی دیگر از دفاع بدن علیه میکروارگانیسم ها:

آقای J. Woodland Hastings عضو دپارتمان بیولوژی سلولی ومولکولی دانشگاه هاروارد امریکا در سال مکانیسم دفاعی بسیار جالبی را در پستانداران علیه Pseudomonas aeruginosa در بیماری سیستیک فیبروسیز شرح داد ، وی مشاهده کرد که سلولهای اپتلیال در برونش های (ریه) افراد سالم در حالت عادی از خود ماده ای ترشح میکنند که با عملکرد آنزیمی به تجزیه اتوایندیوسرهای دخیل در فرایند qourom sensing می پردازند!

اخیراً نیز مشاهده شده است که افرادی که از لحاظ ژنتیکی نقص در تولید این مهارکننده های آنزیمی دارند درصد بالاتری از موارد ابتلا به بیماری سیستیک فیبروسیز دیده می شود! لازم به ذکر است که در افراد بیمار Pseudomonas aeruginosa با ایجاد یک سد مکانیکی از جنس آلژینات کلسیم مقاومت فوق العاده ای نسبت به دفاع میزبان و آنتی بیوتیک ها پیدا می کند.

 

                              

 اهمیت های qourom sensing در پزشکی:

با توجه به مقاومت های آنتی بیوتیکی روز افزونی که امروزه به یکی از مهمترین دغدغه ها در علم پزشکی تبدیل شده است ، روش های درمانی ای که از مصرف بی رویه آنتی بیوتیک ها اجتناب کند مورد توجه ویژه ای قرار دارد . با توجه به اهمیتی که از پدیده ی qourom sensing در ویرولانس باکتری ها مشاهده کردیم شاید بتوان نسل جدیدی از آنتی بیوتیک ها را در آینده متصور شد که برمبنای مهار qourom sensing طراحی شده باشند.

همچنیین دور از تصور نیست که از این مهار کننده ها به صورت سینرجیسم با دیگر دارو ها استفاده کرده و دوز مصرفی آنتی بیوتیک را کمتر کنیم. در برخی موارد حساسیت های دارویی اجازه استفاده از آنتی بیوتیک را به بیمار نمی دهد ،شاید این مسئله را نیز بتوان با نسل جدیدی از دارو های آنتی بیوتیکی با مکانیسم مذکور تا حدودی تعدیل بخشید.

بیوفیلم ها که دارای مقاومت آنتی بیوتیکی بسیار بالایی هستند یکی از مهمترین مشکلات درمانی به حساب می آیند، همانطور که گفته شد qourom sensing نقش اساسی در تشکیل بیوفیلم دارد که مهار این فرایند خود از اهمیت به سزایی برخوردار است.

در زیر مثالی از بیان ژنهای ویرولانس فعال شده به وسیله qourom sensing را در باکتری Pseudomonas aeruginosa به عنوان یک نمونه از روند کلی این فرایند به نمایش گذاشته ایم که به شرح مختصری از آن می پردازیم.

همانطور که در شکل نشان داده شده است در حالت عادی آنزیم Las L تولید اتوایندیوسر AI_1 را می کند (که هر دو با رنگ بنفش نشان داده شده اند) به محض اینکه باکتری ها به تعداد کافی رسید اتوایندیوسر AI_1به پروآنزیمی که دراینجا پروآنزیم Las R (با رنگ روشن) است متصل گشته و یک آنزیم کامل با قابلیت رونویسی از ژنها را به وجود می آورند. آنزیم فعال شده فعلی به رونویسی از ژن Las R می پردازد (نام دیگر آن Lux R می باشد).این ژن بسته به گونه باکتری به تولید مواد خاصی می پردازد که در اینجا عوامل ویرولانسی همچون الاستاز ، اگزو توکسینA ، پیووردین و ...را کد می کند. لازم به ذکر است که از آنجا که اولین بار پدیده qourom sensing در رابطه با نور دهی زیستی (Bioluminescence) مشاهده شد اکثر ژنهایی که به واسطه qourom sensing فعال می شوند را با نام ژنهای Lux نام گذاری می کنند ، Lux واحد اندازه گیری شدت نور می باشد.

مثال فوق در رابطه با اتوایندیوسر نوع یک (AI_1) می باشد که همانطور که در مطالب قبلی بیان شد برای ارتباط بین باکتری های هم گون به کار می رود. تنظیم ژنی دیگری در بخش پایینی شکل نشان داده شده است که مربوط به اتوایندیوسر نوع دو (AI_2) می باشد که مکانیسم تنظیمی آن مشابه با مکانیسم تنظیمی اتوایندیوسر نوع یک (AI_1) می باشد.