QS ve QQ Nedir?

Quorum Sensing

Bakteriler yapısal olarak basit, tek hücreli canlılardır. Prokaryotlar aleminde olan bu mikroorganizmalar o kadar ilkeldir ki ökaryotların aksine hücre içi farklı metabolik faaliyetleri gerçekleştirmek için zarla çevrilmiş organellere dahi sahip değillerdir. Enzimleri, kimyasalları ve hatta DNA’ları hücrenin içinde dağınık halde bulunmaktadır. Bu kadar basit, kendi hücresi içerisindeki faaliyetleri bile organize edememiş görünen canlıların çevresiyle iletişim kuracak kadar da gelişmemiş olduğu düşünülmekteydi. Fakat yaklaşık 50 yıl kadar önce “Quorum sensing” ya da türkçesiyle “çekirdek algılama” adlı mekanizma keşfedilmiş ve 2000’lerden itibaren görece daha detaylı bir şekilde araştırılmaya başlanmıştır.

Quorum sensing, bakteriler arasındaki iletişim mekanizmasını tanımlayan bir terimdir. Quorum sensing sayesinde bakteriler, bulundukları ortamdaki hücre yoğunluklarına göre davranışlarını ve gen ifade mekanizmalarını koordine ederler. QS, kimyasal sinyallerin üretimi, salınımı ve algılanması yoluyla gerçekleşir. Bu süreç aslında çok hücreli canlıların hücreleri ve dokuları arasındaki hormonel iletişme benzetilebilir. Bu kimyasal sinyaller genellikle "otokinin" adı verilen moleküllerdir.

Bakteriler, QS sinyallerini algılamak ve cevap vermek için spesifik moleküller üretirler. Gram-negatif bakterilerde genellikle acyl-homoserine laktonlar (AHL'ler), Gram-pozitif bakterilerde ise oligopeptidler bu sinyalleri oluşturur. Bu kimyasal sinyaller sayesinde bakteriler, çevrelerindeki kimyasal sinyallerin konsantrasyonunu algılayarak kendi popülasyon yoğunluklarını belirlerler. Bu sayede, belirli bir hücre yoğunluğuna ulaştıklarında koordineli bir şekilde hareket ederler. Quorum sensing sinyalleri belirli bir eşiğin üzerine çıktığında, bu sinyaller ilgili genlerin ifade edilmesini tetikler. Bu genler, bakterilerin topluluk olarak hayatta kalmasını ve çoğalmasını sağlayan biyofilm oluşumu, virülans faktörlerinin (hastalık yapıcı moleküller) salınımı, antibiyotik üretimi ve genetik materyalin transferi gibi önemli biyolojik fonksiyonları içerir.

Quorum Quenching

Mikrobiyolojide quorum quenching, bakteri popülasyonlarında quorum sensing’in engellenmesini ifade eden bir terimdir. Quorum quenching’in ne olduğunu anlamak için önce quorum sensing’in ne olduğunu anlamak gerekir.

Quorum sensing, bakteriler tarafından kullanılan ve yoğunluğuna göre popülasyonun davranışlarını koordine etmeye yarayan bir iletişim sistemidir. Bakteriler, otoindükleyici adı verilen kimyasal sinyal molekülleri üretip bulundukları ortama salgılarlar. Bakteri popülasyonu büyüdükçe otoindükleyici yoğunluğu artar. Otoindükleyici derişimi belli bir eşiği geçtiğinde bakterilerde bir tepki oluşturur ve bu tepki, koordine bir şekilde gen ifadesinin denetlenmesine ve biyofilm üretimi, virülans faktörü üretimi ve sporülasyon gibi davranışlara sebep olur.

Quorum quenching ise quorum sensing’in, otoindükleyici moleküllerin QQ enzimleri ile degradasyonuyla yani yapısının bozulmasıyla veya bakterideki bu sinyalleri algılayan reseptörlerinin bloke edilmesini ve bu sayede bakteriler arasındaki iletişim sistemine müdahale edilmesini ifade eder. Bunun sonucunda, bakteriler etkili bir biçimde koordinasyon sağlayamazlar, biyofilm oluşturamazlar. Endüstride quorum quenching’in kullanımı ile patojenik (hastalık yapıcı) bakterilerin enfeksiyon düzeyi azaltılabilir, tarım alanında bitki hastalıkları önlenebilir, biyoıslah çalışmalarında atıkların parçalanması için quorum quenching yoluyla bakterilerin enzim üretimi kontrol edilebilir ve bizim projemizde de olduğu atık su arıtımında biyofilm oluşumu ile verimliliğin düşmesi önlenebilir. Biyofilm oluşumu için quorum sensing kritiktir çünkü biyofilm bakterilerin bir araya gelip, bir yüzeye tutunup işlevsel bir topluluk yapısı oluşturmasıdır. MBR sistemleri gibi biyofilm formasyonu sebebiyle tıkanıklık oluşan sistemlerde kontrollü quorum quenching kullanımı ile bakteriler arası iletişim kesilerek biyofilm oluşumu engellenebilir ve bu sistemlerin verimi maksimum düzeyde tutulmuş olur.

Kaynaklar

[1] Koyuncu, İ., Türken, T., & Köseoğlu, D. (2018). Membran Teknolojileri ve Uygulamaları.
[2] Srinivasan, R., Santhakumari, S., Poonguzhali, P., Geetha, M., Dyavaiah, M., & Xiangmin, L. (2021). Bacterial biofilm inhibition: A focused review on recent therapeutic strategies for combating the biofilm mediated infections. Frontiers in Microbiology, 12. https://doi.org/10.3389/fmicb.2021.676458
[3] https://commons.m.wikimedia.org/wiki/File:Quorum_sensing_of_Gram_Negative_cell.pdf#mw-jump-to-license
[4] https://commons.m.wikimedia.org/wiki/File:Quorum_quenching.png