Autoinductor

En biología, un autoinductor es una molécula señalizadora que permite la detección y respuesta a cambios en la densidad poblacional de las células bacterianas. Sintetizados durante la reproducción de una bacteria, los autoinductores pasan al exterior de la bacteria y al medio circundante. Son un componente clave del fenómeno de quórum sensing: a medida que aumenta la densidad de células bacterianas con quórum sensing, también aumenta la concentración del autoinductor. La detección de un autoinductor por parte de una bacteria por encima de un umbral mínimo desencadena una expresión génica alterada.La detección de autoinductores, realizada tanto por bacterias gramnegativas como grampositivas, les permite detectarse entre sí y regular una amplia variedad de actividades fisiológicas, como la simbiosis, la virulencia, la motilidad, la producción de antibióticos y la formación de biopelículas.Los autoinductores adoptan diversas formas según la especie bacteriana, pero su efecto es en muchos casos similar. Permiten a las bacterias comunicarse tanto dentro de una misma especie como entre ellas, y así generar respuestas coordinadas a su entorno de una manera comparable al comportamiento y la señalización en organismos superiores. No es sorprendente que se haya sugerido que la percepción de quórum pudo haber sido un hito evolutivo importante que finalmente dio origen a las formas de vida multicelulares.El término autoinducción se acuñó por primera vez en 1970, cuando se observó que la bacteria marina bioluminiscente Vibrio fischeri producía una enzima luminiscente (luciferasa) solo cuando los cultivos alcanzaban una densidad poblacional umbral. A bajas concentraciones celulares, V. fischeri no expresaba el gen de la luciferasa. Sin embargo, durante la fase de crecimiento exponencial de los cultivos, este se activaba rápidamente. Este fenómeno se denominó autoinducción porque implicaba una molécula (el autoinductor) producida por las propias bacterias, que se acumulaba en el medio de cultivo e inducía la síntesis de componentes del sistema de luminiscencia. Investigaciones posteriores revelaron que el autoinductor utilizado por V. fischeri es una molécula señalizadora de homoserina lactona acilada (AHL).En los sistemas de quórum sensing más simplificados, las bacterias solo necesitan dos componentes para utilizar autoinductores: una forma de producir una señal y una forma de responder a ella. Estos procesos celulares suelen estar estrechamente coordinados e implican cambios en la expresión génica. La producción de autoinductores generalmente aumenta a medida que aumenta la densidad celular bacteriana. La mayoría de las señales se producen intracelularmente y posteriormente se secretan en el entorno extracelular. La detección de autoinductores suele implicar la difusión de vuelta a las células y la unión a receptores específicos. Normalmente, la unión de los autoinductores a los receptores no se produce hasta que se alcanza una concentración umbral de autoinductores. Una vez que esto ocurre, los receptores unidos alteran la expresión génica, ya sea directa o indirectamente. Algunos receptores son factores de transcripción en sí mismos, mientras que otros transmiten señales a factores de transcripción posteriores. En muchos casos, los autoinductores participan en ciclos de retroalimentación directa, donde una pequeña concentración inicial de un autoinductor amplifica la producción de esa misma señal química a niveles mucho más altos.Producidas principalmente por bacterias gramnegativas, las homoserina lactonas aciladas (AHL) son una clase de pequeñas moléculas lipídicas neutras compuestas por un anillo de homoserina lactona con una cadena acilo. Las AHL producidas por diferentes especies de bacterias gramnegativas varían en la longitud y composición de la cadena lateral acilo, que a menudo contiene de 4 a 18 átomos de carbono. Las AHL son sintetizadas por las AHL sintasas. Se difunden dentro y fuera de las células mediante mecanismos de transporte pasivo y activo. Los receptores de las AHL incluyen varios reguladores transcripcionales llamados «proteínas R», que funcionan como factores de transcripción que se unen al ADN o quinasas sensoras.Las bacterias grampositivas que participan en la detección de quórum suelen utilizar oligopéptidos secretados como autoinductores. Los autoinductores peptídicos suelen ser el resultado de la modificación postraduccional de una molécula precursora de mayor tamaño. En muchas bacterias grampositivas, la secreción de péptidos requiere mecanismos de exportación especializados. Por ejemplo, algunos autoinductores peptídicos son secretados por transportadores de casete de unión a ATP que acoplan el procesamiento proteolítico y la exportación celular. Tras la secreción, los autoinductores peptídicos se acumulan en entornos extracelulares. Una vez alcanzado un nivel umbral de señal, una proteína histidina quinasa sensora de un sistema regulador de dos componentes lo detecta y transmite una señal a la célula. Al igual que con las AHL, la señal acaba alterando la expresión génica. Sin embargo, a diferencia de algunas AHL, la mayoría de los oligopéptidos no actúan como factores de transcripción por sí mismos.La bacteria marina bioluminiscente de vida libre, Vibrio harveyi, utiliza otra molécula de señalización además de una homoserina lactona acilada. Esta molécula, denominada Autoinductor-2 (o AI-2), es un diéster de borato de furanosilo. Se cree que el AI-2, también producido y utilizado por diversas bacterias gramnegativas y grampositivas, constituye un vínculo evolutivo entre los dos tipos principales de circuitos de detección de quórum.Como se mencionó, las bacterias gramnegativas utilizan principalmente homoserina lactonas aciladas (AHL) como moléculas autoinductoras. El circuito de detección de quórum mínimo en bacterias gramnegativas consiste en una proteína que sintetiza una AHL y una segunda proteína, diferente, que la detecta y provoca un cambio en la expresión génica. Identificadas por primera vez en V. fischeri, estas dos proteínas son LuxI y LuxR, respectivamente. Otras bacterias gramnegativas utilizan proteínas similares a LuxI y LuxR (homólogas), lo que sugiere un alto grado de conservación evolutiva. Sin embargo, entre las bacterias gramnegativas, el circuito LuxI/de tipo LuxI se ha modificado en diferentes especies. Estas modificaciones, que se describen con más detalle a continuación, reflejan adaptaciones bacterianas para crecer y responder a entornos específicos.Ecológicamente, se sabe que V. fischeri mantiene asociaciones simbióticas con varios hospedadores eucariotas, incluyendo el calamar bobtail hawaiano (Euprymna scolopes). En esta relación, el hospedador mantiene a las bacterias en órganos de luz especializados. El hospedador proporciona un entorno seguro y rico en nutrientes para las bacterias, quienes, a su vez, proporcionan luz. Si bien la bioluminiscencia puede utilizarse para el apareamiento y otros fines, en E. scolopes se utiliza como contrailuminación para evitar la depredación.La molécula autoinductora utilizada por V. fischeri es la N-(3-oxohexanoil)-homoserina lactona. Esta molécula es producida en el citoplasma por la enzima LuxI sintasa y se secreta a través de la membrana celular al medio extracelular. Como ocurre con la mayoría de los autoinductores, la concentración ambiental de N-(3-oxohexanoil)-homoserina lactona es la misma que la concentración intracelular en cada célula. La N-(3-oxohexanoil)-homoserina lactona finalmente se difunde de vuelta a las células, donde es reconocida por LuxR una vez alcanzada una concentración umbral (~10 μg/ml). LuxR se une al autoinductor y activa directamente la transcripción del operón luxICDABE. Esto produce un aumento exponencial tanto en la producción de autoinductor como en la bioluminiscencia. La unión de LuxR al autoinductor también inhibe la expresión de LuxR, lo que se cree que proporciona un mecanismo compensatorio de retroalimentación negativa para controlar estrictamente los niveles de los genes de bioluminiscencia.

P. aeruginosa es un patógeno humano oportunista asociado con la fibrosis quística. En las infecciones por P. aeruginosa, la detección de quórum es crucial para la formación de biopelículas y la patogenicidad. P. aeruginosa contiene dos pares de homólogos de LuxI/LuxR: LasI/LasR y RhlI, RhlR. LasI y RhlI son enzimas sintasas que catalizan la síntesis de N-(3-oxododecanoil)-homoserina lactona y N-(butiril)-homoserina lactona, respectivamente. Los circuitos LasI/LasR y RhlI/RhlR funcionan en conjunto para regular la expresión de varios genes de virulencia. A una concentración umbral, LasR se une a la N-(3-oxododecanoil)-homoserina lactona. En conjunto, este complejo unido promueve la expresión de factores de virulencia responsables de las primeras etapas del proceso infeccioso.El LasR unido a su autoinductor también activa la expresión del sistema RhlI/RhlR en P. aeruginosa. Esto provoca la expresión de RhlR, que a su vez se une a su autoinductor, la N-(butril)-homoserina lactona. A su vez, el RhlR unido al autoinductor activa una segunda clase de genes involucrados en etapas posteriores de la infección, incluyendo genes necesarios para la producción de antibióticos. Presumiblemente, la producción de antibióticos por P. aeruginosa se utiliza para prevenir infecciones oportunistas causadas por otras especies bacterianas. La N-(3-oxododecanoil)-homoserina lactona impide la unión entre la N-(butril)-homoserina lactona y su regulador cognado, el RhlR. Se cree que este mecanismo de control permite a P. aeruginosa iniciar las cascadas de quórum-sensing de forma secuencial y en el orden adecuado para que se produzca un ciclo de infección adecuado.

• P. aeruginosa También utiliza 2-heptyl-3-hidroxy-4-quinolone (PQS) para la detección del quórum. Esta molécula es notable porque no pertenece a la clase de lactona homoserina de los autoinductores. Se cree que PQS proporciona un vínculo regulatorio adicional entre los circuitos de Las y Rhl involucrados en virulencia e infección.
• Agrobacterium tumefaciens es un patógeno vegetal que induce tumores en los anfitriones susceptibles. Infección por A. tumefaciens implica la transferencia de una plasmida oncogénica de la bacteria al núcleo de la célula anfitriona, mientras que la detección del quórum controla la transferencia conyugal de plasmides entre bacterias. La conjugación, por otro lado, requiere el autoinductor HSL, N-(3-oxooctanoyl)-homoserina lactona.
• Erwinia carotovora es otro patógeno vegetal que causa la enfermedad de rotura blanda. Estas bacterias secretan las células y las pectinasas, que son enzimas que degradan las paredes de las células vegetales. ExpI/ExpR son homologs LuxI/LuxR en E. carotovora Se cree que controlar la secreción de estas enzimas sólo cuando se alcanza una densidad celular local lo suficientemente alta. El autoinductor involucrado en el quórum sensing en E. carotovora es N-(3-oxohexanoyl)-L-homoserina lactona.

Mientras que las bacterias gramnegativas utilizan principalmente homoserina lactonas aciladas, las grampositivas generalmente emplean oligopéptidos como autoinductores para la detección de quórum. Estas moléculas suelen sintetizarse como polipéptidos más grandes que se escinden postraduccionalmente para producir péptidos "procesados". A diferencia de las AHL, que pueden difundir libremente a través de las membranas celulares, los autoinductores peptídicos suelen requerir mecanismos de transporte especializados (a menudo, transportadores ABC). Además, no difunden libremente de vuelta a las células, por lo que las bacterias que los utilizan deben contar con mecanismos para detectarlos en sus entornos extracelulares. La mayoría de las bacterias grampositivas utilizan un mecanismo de señalización de dos componentes para la detección de quórum. Los autoinductores peptídicos secretados se acumulan en función de la densidad celular. Una vez alcanzado un nivel de quórum de autoinductor, su interacción con una quinasa sensora en la membrana celular inicia una serie de eventos de fosforilación que culminan en la fosforilación de una proteína reguladora intracelularmente. Esta proteína reguladora funciona posteriormente como factor de transcripción y altera la expresión génica. Al igual que en las bacterias gramnegativas, el sistema de autoinducción y detección de quórum en las bacterias grampositivas se conserva, pero, de nuevo, cada especie ha adaptado aspectos específicos para sobrevivir y comunicarse en entornos de nicho únicos.

S. pneumoniae es una bacteria patógena humana cuyo proceso de transformación genética se describió por primera vez en la década de 1930. Para que una bacteria absorba ADN exógeno de su entorno, debe volverse competente. En S. pneumoniae, deben ocurrir varios eventos complejos para alcanzar un estado competente, pero se cree que la detección de quórum desempeña un papel. El péptido estimulante de la competencia (CSP) es un autoinductor peptídico de 17 aminoácidos necesario para la competencia y la posterior transformación genética. El CSP se produce por escisión proteolítica de un péptido precursor de 41 aminoácidos (ComC); es secretado por un transportador ABC (ComAB); y es detectado por una proteína quinasa sensora (ComD) una vez que ha alcanzado una concentración umbral. La detección es seguida por la autofosforilación de ComD, que a su vez fosforila a ComE. ComE es un regulador de respuesta responsable de activar la transcripción de comX, cuyo producto es necesario para activar la transcripción de otros genes implicados en el desarrollo de la competencia.

B. subtilis es un microbio que habita en el suelo y que utiliza la detección de quórum para regular dos procesos biológicos diferentes: la competencia y la esporulación. Durante la fase de crecimiento estacionario, cuando B. subtilis presenta una alta densidad celular, aproximadamente el 10 % de las células de una población se vuelven competentes. Se cree que esta subpoblación se vuelve competente para absorber ADN que podría utilizarse para la reparación de cromosomas dañados (mutados). ComX (también conocido como factor de competencia) es un péptido de 10 aminoácidos que se procesa a partir de un precursor peptídico de 55 aminoácidos. Como la mayoría de los autoinductores, ComX se secreta y se acumula en función de la densidad celular. Una vez alcanzado un nivel extracelular umbral, ComX es detectado por un par de quinasas sensoras/regulador de respuesta de dos componentes, ComP/ComA. La fosforilación de ComA activa la expresión del gen comS, ComS inhibe la degradación de ComK y, finalmente, ComK activa la expresión de varios genes necesarios para la competencia.

La esporulación, por otro lado, es una respuesta fisiológica de B. subtilis al agotamiento de nutrientes en un entorno particular. También está regulada por la señalización extracelular. Cuando las poblaciones de B. subtilis detectan condiciones desfavorables, responden mediante una división celular asimétrica. Esto produce esporas adaptadas para la dispersión y la supervivencia en condiciones desfavorables. La esporulación en B. subtilis está mediada por el LCR (factor de esporulación), un pentapéptido escindido del péptido precursor PhrC. El LCR se secreta al entorno extracelular y es absorbido por las células a través del transportador ABC Opp, donde actúa intracelularmente. Mientras que bajas concentraciones internas de LCR contribuyen a la competencia, altas concentraciones inducen la esporulación. El LCR inhibe una fosfatasa, RabB, que aumenta la actividad de Spo0A, favoreciendo un cambio en la vía de compromiso de la competencia a la esporulación.