Le cellule batteriche comunicano tra loro e la comunicazione gioca un ruolo essenziale nella virulenza e nella formazione del biofilm.
La comunicazione avviene tramite cellule che rilasciano, rilevano e quindi rispondono a piccole molecole segnale diffusibili. Questo processo è denominato quorum sensing.
Il quorum sensing controlla i comportamenti dei gruppi batterici in ambienti complessi e in continuo cambiamento dinamico.
I batteri utilizzano il quorum sensing per:
- facilitare la colonizzazione;
- la formazione dei biofilm;
- controllare i fattori di virulenza;
- la promozione di comportamenti cooperativi;
- come difesa contro altri microrganismi competitors;
- per favorire l’adattamento ai cambiamenti ambientali.
Considerare i batteri semplicemente come organismi unicellulari indipendenti è errato.
La maggior parte dei batteri nell’ambiente naturale non si trovano allo stato di cellule libere e “pure”. Esistono invece in comunità complesse e dinamiche associate alla superficie chiamate biofilm. È all’interno di comunità eterogenee di biofilm che i batteri comunicano e si adattano, utilizzando il quorum sensing.
Per questo processo, i batteri non hanno bisogno di essere fisicamente in contatto, ma semplicemente abbastanza vicini da rilevare le molecole secrete.
L’aspetto interessante del quorum sensing è il modo in cui le comunità batteriche come biofilm possono regolare diversi processi fisiologici e attività di gruppo attraverso la segnalazione di gruppo. In un certo senso, le comunità di biofilm sono come vaste città di batteri dove il quorum sensing controlla i flussi di traffico, i ricoveri ospedalieri e quando andare in guerra.
Il quorum sensing aiuta una popolazione iniziale a stabilirsi e a sviluppare una comunità di biofilm; le sostanze chimiche rilasciate dai primi colonizzatori innescano cambiamenti nell’espressione genetica, inducendo altri batteri a modificare il loro stile di vita da planctonico a sessile.
Gli studi dimostrano che la presenza del quorum sensing è associata a comunità di biofilm più robuste.
Ad esempio, l’adesione batterica sembra essere significativamente più forte all’aumentare dei livelli di molecole secrete; allo stesso tempo, la biomassa aumenta corrispondentemente. Tra le molecole sensibili al quorum chiamate lattoni N-acil-omoserina (utilizzate da molti batteri Gram-negativi), le varianti a catena lunga (12-14 atomi di carbonio) sono più fortemente associate all’adesione batterica.
Ciò è probabilmente dovuto alla maggiore idrofobicità e resistenza all’idrolisi di queste molecole.
Attraverso il rilevamento del quorum sensing diversi batteri possono scegliere di competere o cooperare.
Con la cooperazione, specie diverse possono agire insieme per rafforzare la comunità. Qui alcuni batteri traggono vantaggio dalla divisione del lavoro, dalle azioni collettive e da altre forme di attività cooperative, inclusa l’assegnazione dei nutrienti (ad esempio, attraverso la cooperazione sociale, in risposta a una scarsità di nutrienti, a una parte della popolazione vengono assegnati i nutrienti e sopravvive mentre altre cellule patiranno la fame. È più probabile che tali forme di cooperazione si siano evolute tra individui parenti geneticamente imparentati.
Non tutte le specie sono cooperative e alcune trarranno vantaggio dalle specie cooperanti per promuovere la propria crescita e sopravvivenza. Questi sono talvolta soprannominati “cheaters” o “non cooperatori”.
Il quorum svolge un ruolo importante nello sviluppo dei biofilm. Ciò avviene nella misura in cui spesso esiste una chiara connessione tra il rilevamento del quorum e la formazione di biofilm. I batteri presenti nei biofilm microbici hanno caratteristiche diverse da quelle delle controparti a vita libera, inclusa una resistenza significativamente aumentata agli antimicrobici, ai metodi di decontaminazione e agli antibiotici. Il rilevamento del quorum aumenta la resistenza alterando lo sviluppo del biofilm, i sistemi secretori batterici e le pompe di efflusso batterico.
Il quorum sensing infatti può segnalare ad alcune cellule di entrare in dormienza come tattica di sopravvivenza, rendendole meno suscettibili a disinfettanti, agenti antimicrobici, antibiotici e condizioni ambientali sfavorevoli (bassa attività dell’acqua, pH e temperature inadatte).
Il rilevamento del quorum è collegato a diversi fattori di virulenza in relazione a batteri specifici, inclusa la regolazione del momento in cui rilasciano tossine specifiche.
I batteri sensibili al quorum producono e rilasciano molecole di segnale chimico come gli auto induttori. Queste molecole aumentano di concentrazione in funzione della densità cellulare.
Il rilevamento del quorum avviene attraverso quattro fasi:
- sintesi intracellulare delle molecole segnale;
- secrezione delle molecole, attiva o passiva;
- rilevazione della molecola segnale e del suo legame con un induttore;
- attivazione della trascrizione genica.
Per i batteri Gram-positivi in grado di formare endospore, il quorum sensing può essere utilizzato per segnalare a una comunità quando le condizioni sono adatte alla sporulazione.
Il fenomeno del quorum sensing è fondamentale quindi per regolare la comunità microbica all’interno della matrice del biofilm. Per questo motivo agire in modo sulla matrice, piuttosto che sulle singole cellule microbiche, rappresenta la soluzione migliore per destabilizzare la comunità microbica, ridurne le interazioni e portare quindi a una completa ed efficace eliminazione del biofilm.
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