Quorum Sensing – einfach erklärt

Grundprinzip und Ablauf

Quorum Sensing (QS) bezeichnet die chemische Kommunikation von Einzellern über hochspezifische Signalmoleküle. Bakterien können dadurch die Zelldichte ihrer eigenen Art und die Komplexität einer mikrobiellen Gemeinschaft erfassen. Auch die Wechselwirkung mit höheren Lebewesen wird durch QS beeinflusst. Das System ermöglicht es einer Population, sich zunächst geschützt in einer Gemeinschaft oder einem Biofilm bis zu einer kritischen Zellzahl zu vermehren und anschließend gemeinsam ihren Phänotyp, also ihre beobachtbaren Eigenschaften, zu verändern.

Gene werden aktiviert, wenn eine bestimmte Zelldichte, das sogenannte Quorum, über- oder unterschritten wird. Der Ablauf umfasst vier wesentliche Schritte:

Die Zellen synthetisieren Autoinduktoren, also chemische Signalmoleküle.
Sie geben diese Moleküle kontinuierlich in kleinen Mengen an das umgebende Medium ab.
Mit steigender Zelldichte reichern sich die Autoinduktoren bis zu einer Schwellenkonzentration an.
Zellspezifische Rezeptoren erkennen das Signal und lösen eine Regulation der Genexpression aus.

Nach Erreichen der Schwellenkonzentration kann eine positive Rückkopplung einsetzen: Das Signal fördert seine eigene Synthese. Dadurch werden die Rezeptoren schnell und vollständig aktiviert. Die Zielgene werden entweder direkt oder über eine Signaltransduktion, also die Weiterleitung eines Signals in der Zelle, angeschaltet. Transkriptionsfaktoren wirken dabei als molekulare Schalter. Auf diese Weise synchronisiert die gesamte Gemeinschaft ihren Phänotyp, ähnlich wie Zellen in einem vielzelligen Organismus.

Bakterien können QS nutzen, um rasch auf Umweltveränderungen zu reagieren, das Überleben der Population zu sichern, Konkurrenten zu verdrängen und neue ökologische Nischen zu erschließen. Die gezielte Störung fremder QS-Kommunikation wird Quorum Quenching genannt.

Entdeckung und biologische Funktionen

Das QS-Phänomen wurde 1970 von Kenneth Nealson, Terry Platt und J. Woodland Hastings bei Untersuchungen der Biolumineszenz mariner Aliivibrio fischeri beschrieben. Diese Bakterien leben natürlicherweise symbiotisch in den Leuchtorganen von Tiefseefischen. In Kultur zeigten sie nur während eines kurzen Zeitraums der exponentiellen Wachstumsphase Licht. Die Wissenschaftler führten dies auf eine Konditionierung des Kulturmediums und eine dadurch ausgelöste Aktivierung der Population zurück. Sie prägten den Begriff der Autoinduktion. An der weiteren Erforschung in den 1990er Jahren war Bonnie L. Bassler maßgeblich beteiligt; der Begriff Quorum Sensing wurde durch Fuqua, Winans und Greenberg geprägt.

QS koordiniert Prozesse, die für einzelne Zellen ineffizient wären. Dazu gehören:

Biolumineszenz,
Biofilmbildung,
die Sekretion von Antibiotika und Pathogenitätsfaktoren,
die Fruchtkörperbildung bei Myxobakterien,
die Sporulation bei Bacillus subtilis,
die Infektion von Pflanzen und anderen eukaryotischen Wirten sowie
die Beteiligung von Bakterien an Ökosystemen, beispielsweise an Korallenriffen.

Ein Beispiel ist Pseudomonas aeruginosa: Der Erreger kann im Wirt zunächst leben, ohne ihn zu schädigen. Bei starker Vermehrung bildet er Biofilme, wird pathogen und kann eine Erkrankung auslösen. Das QS-System erlaubt damit eine koordinierte Anpassung der gesamten Population an die jeweilige Umgebung.

Autoinduktoren und ihre Signalwege

Autoinduktoren sind meist frei diffundierende, amphiphile Moleküle, die von Bakterien beständig in kleinen Mengen durch die Zellmembran in die Umgebung abgegeben werden. Gramnegative Bakterien verwenden vorwiegend niedermolekulare Verbindungen, grampositive Bakterien meist Oligopeptide. Über die Signalkonzentration können Bakterien Populationsdichte und Gemeinschaftsstruktur erfassen. In komplexen Lebensräumen können mehrere QS-Systeme gleichzeitig wirken. Vibrio harveyi verwendet beispielsweise drei unterschiedliche Autoinduktoren für zwischenartliche Kommunikation und den Austausch zwischen Gattungen; insgesamt können dabei bis zu 600 Gene reguliert werden.

Autoinduktor-1 (Al-1) dient vor allem gramnegativen Bakterien zur innerartlichen Kommunikation. Häufig handelt es sich um N-Acyl-Homoserinlaktone (AHL), gelegentlich um Aryl-Homoserinlaktone. AHL entstehen aus S-Adenosylmethionin durch LuxI-Synthasen. Die Länge und chemische Modifikation ihrer Alkylkette beeinflussen Stabilität und Signaldynamik. Die hydrophoben AHL gelangen durch die Membran und binden nach Erreichen der Schwellenkonzentration an cytoplasmatische Rezeptoren der LuxR-Familie. Der AHL-LuxI/LuxR-Mechanismus ist für viele gramnegative Bakterien typisch.

Varianten sind das RhlI/RhlR-System von Pseudomonas aeruginosa mit N-Butyroyl-L-Homoserinlakton sowie das CviI/CviR-System von Chromobacterium violaceum mit N-Hexanoyl-L-Homoserinlakton. LuxI-Solo-Systeme besitzen LuxR-homologe Rezeptoren, aber keine verwandte LuxI-Synthase. Sie ermöglichen die Reaktion auf AHL, die von anderen, auch artfremden Bakterien produziert werden. Manche pathogenen Bakterien nutzen andere Moleküle mit LuxR-homologen Rezeptoren: Photorhabdus luminescens verwendet 2-Pyrone beziehungsweise Photopyrone und steuert damit Zellverklumpung als Virulenzmerkmal; Photorhabdus asymbiotica nutzt Dialkylresorzinole und Cyclohexandione zur Regulation der Virulenz.

Autoinduktor-2 (Al-2) kommt in gramnegativen und grampositiven Bakterien verschiedener Taxa vor und ist an zwischenartlicher Kommunikation beteiligt, aber nicht universell vertreten. Das LuxS-Enzym bildet aus 4,5-Dihydroxy-2,3-Pentandion (DPD) eine Vorstufe. DPD liegt in wässriger Lösung als zwei miteinander im Gleichgewicht stehende Enantiomere vor und komplexiert mit Bor zu zyklischen Furanosylboratdiestern. Bei Vibrio cholerae bindet Al-2 an den periplasmatischen Rezeptor LuxP, der mit der Sensorkinase LuxQ zusammenwirkt. LuxQ kann je nach QS-Status als Kinase oder Phosphatase wirken und unter anderem Gene der Biofilmbildung an- oder ausschalten. Al-2 informiert über Stoffwechselaktivität und mikrobielle Besiedlung. Bei Escherichia coli und Salmonella typhimurium fördern bevorzugte Kohlenstoffquellen, niedriger pH-Wert und hohe Osmolarität die Al-2-Synthese. Schlechte Bedingungen, stationäre Wachstumsphase, verbrauchte Kohlenstoffquellen, niedrige Osmolarität und ein veränderter pH-Wert führen zum Abbau von Al-2.

Autoinduktor-3 (Al-3) tritt zusätzlich zu anderen Signalen bei verschiedenen pathogenen gramnegativen Bakterien, etwa enterohämorrhagischen Escherichia coli und Vibrionen, sowie bei grampositiven Erregern wie Staphylococcus aureus auf. Die Signale werden unter Stressbedingungen induziert. Bei Vibrio cholerae gehören dazu Pyrazin-Metabolite wie 3,5-Dimethylpyrazin-2-ol (DPO), das aus L-Threonin durch Threonindehydrogenase gebildet wird. DPO bindet an den cytoplasmatischen LuxR-Rezeptor VqmA. Der Komplex aktiviert die sRNA VqmR, die mehrere mRNAs verschiedener QS-Systeme reguliert. VqmA kann Biofilm-Transkriptionsfaktoren kontrollieren und zugleich Gene für Virulenzfaktoren hemmen. Weitere Signale sind 2,5-Dimethylpyrazin und 3,5-disubstituierte Pyrazin-2-ol-Analoga aus Aminoaceton.

Grampositive Bakterien verwenden lineare oder zyklische Autoinduktorpeptide. Sie werden als Präpropeptide gebildet und während des aktiven Transports aktiviert. Beispiele sind das autoinduzierende Peptid (AIP) von Staphylococcus aureus und das kompetenzstimulierende Peptid (CSP) von Streptococcus mitis und Streptococcus pneumoniae. Bei S. aureus bindet AIP an den Transmembranrezeptor AgrC mit Histidinkinase. Durch Phosphorylierung wird ein intrazellulärer Transkriptionsfaktor aktiviert. Die vier Komponenten dieses QS-Systems liegen genetisch in einem arg-Operon.

QS bei wichtigen Bakterienarten

QS wurde zuerst bei komplexen Myxobakterien und Streptomyceten beobachtet. Besonders bekannt ist die Biolumineszenz von Vibrio fischeri beziehungsweise Aliivibrio fischeri. Freilebende Bakterien erreichen nicht die hohe Zelldichte, die sie in den Leuchtorganen ihrer Wirte erreichen, und leuchten deshalb dort nicht. Streptococcus pneumoniae nutzt QS, um Kompetenz zu erlangen, also die Fähigkeit zur Aufnahme genetischen Materials. Beim dimorphen Pilz Candida albicans wirkt Farnesol als QS-Molekül; bei hoher Populationsdichte hemmt es das Hyphenwachstum.

Streptococcus mutans ist der Hauptverursacher von Karies und lebt im menschlichen Zahnbelag. Sein wichtigstes Virulenzmerkmal ist ein polysaccharidhaltiger Biofilm, der das Überleben in der Mundflora und die Pathogenität unterstützt. Das Bakterium produziert Säuren und ist zugleich säureresistent. Da es in der Zahnflora mit anderen Mikroorganismen konkurriert, nutzt es mindestens zwei Kommunikationswege.

Al-2 beeinflusst den gesamten Stoffwechsel von S. mutans. Es werden unter anderem Gene der Protein- und DNA-Synthese, der Genexpressionsregulation, der Kompetenz sowie Gene für Transportproteine hoch- oder herunterreguliert. Al-2 informiert über die bakterielle Zusammensetzung der Umgebung und die Zelldichte und wirkt an der Bildung von Multispezies-Biofilmen wie Zahnbelag mit.

Das Intraspezies-System wird durch das kompetenzstimulierende Signalpeptid CSP reguliert. Es steuert die Bildung von Bacteriocinen, also Peptidantibiotika, und beeinflusst Biofilmentwicklung und Azidität. Eine künstlich verabreichte sehr hohe CSP-Konzentration kann den Zelltod der S.-mutans-Population auslösen. Deshalb werden QS-Systeme als mögliche Ansätze zur Schwächung von Biofilmen und zur Kariesbehandlung untersucht.

QS bei Pseudomonas und Pflanzenbakterien

Pseudomonas aeruginosa ist ein gramnegatives Bakterium und Kommensale der menschlichen Bakterienflora, kann sich aber zu einem opportunistischen Erreger entwickeln. Zu den verursachten Infektionen gehören Lungenentzündung, Septikämie und Krankenhausinfektionen. Zu seinen zellassoziierten und extrazellulären Virulenzfaktoren zählen Flagellen, Pili, Lektine, Polysaccharide, Proteasen, Exoenzym S und Exotoxin A.

Sein hierarchisch gegliedertes QS-Netzwerk umfasst vier miteinander verknüpfte Systeme. Das Al-1-Signal PAI ist N-(3-Oxododecanoyl)-Homoserinlacton (OdDHL) und aktiviert über einen Rezeptor den Transkriptionsfaktor LasR. Das Homoserinlaktonderivat N-Butyrylhomoserinlacton (BHL) bindet an RhlR. Zusammen regulieren diese beiden Systeme bereits 10 % des bakteriellen Genoms. Das 1999 von E. C. Pesci entdeckte Pseudomonas-Chinolon-Signal (PQS) ist 2-Heptyl-3-hydroxy-4-chinolon und bindet an PqsR, ehemals MvfR. Das integrierte QS (IQS) reagiert auf Stresssignale und überträgt diese in das Netzwerk. Es handelt sich um 2-(2-Hydroxyphenyl)-Thiazol-4-Carbaldehyd, das an IqsR bindet. IQS vermindert die Produktion anderer Signalmoleküle. Veränderungen von PQS und BHL beeinflussen unter anderem Pyocyanin, Rhamnolipide und Elastasen.

Bei pflanzenassoziierten Bakterien steuert QS sowohl nützliche als auch krankmachende Eigenschaften. Beteiligt sind unter anderem die Familien Burkholderiaceae, Rhizobiaceae, Erwiniaceae und Pseudomonadaceae. Burkholderia-Arten besiedeln die Rhizosphäre, den Wurzelraum, und können Pflanzen vor Pilzen und Nematoden schützen. Im Cep-System bildet die AHL-Synthase CepI N-Octanoyl-L-Homoserinlacton (C8-HSL), das an CepR bindet. Dadurch werden Biofilme, extrazelluläre Proteasen und Siderophore reguliert. AHL-produzierende Bakterien in der Rhizosphäre können außerdem pflanzliche Abwehrgene stimulieren und zur Resistenz beitragen.

Das pflanzenpathogene Bodenbakterium Agrobacterium tumefaciens bildet an verletzten zweikeimblättrigen Pflanzen Wurzelhalsgallentumoren. Bei der Infektion kann es sein Ti-Plasmid horizontal in Pflanzenzellen übertragen und dadurch die Tumorbildung auslösen. Die Wucherungen produzieren Nährstoffe, deren Synthese durch Gene des Ti-Plasmids bestimmt wird und die das Bakterium nutzt. A. tumefaciens verwendet ein LuxR-LuxI-System: Die LuxI-homologe Synthase TraI bildet N-3-Oxooctanoyl-L-Homoserinlacton, das an TraR bindet. Der aktivierte Transkriptionsfaktor veranlasst unter anderem die Transkription der auf dem Ti-Plasmid liegenden Gene. Weitere pathogene Beispiele sind Ralstonia, bei dem das PhcS/PhcRQ-System mit 3-Hydroxypalmitinsäuremethylester zur bakteriellen Welke bei Nutzpflanzen beiträgt, und Xanthomonas campestris, das für seine Zellkommunikation den Fettsäure-Signalstoff diffusible signal factor (DSF) verwendet und unter anderem Schwarzfäule bei Blütenpflanzen verursacht.