Quorum Sensing (QS) ist ein bakterielles Kommunikationssystem, das die Koordination der Genexpression auf Bevölkerungsebene ermöglicht. Bakterien produzieren und erkennen kleine Signalmoleküle, sogenannte Autoinduktoren; Die Genregulation erfolgt erst, wenn eine Schwellenkonzentration erreicht ist, die auf eine ausreichende Populationsdichte hinweist.
Gramnegatives Quorum Sensing
Gramnegative Bakterien verwenden hauptsächlich N-Acylhomoserinlactone (AHLs) als Autoinduktoren, die von Proteinen der LuxI-Familie synthetisiert und von Transkriptionsregulatoren der LuxR-Familie nachgewiesen werden. Das kanonische LuxI/LuxR-System in Vibrio fischeri steuert die Biolumineszenz – LuxI produziert 3-Oxo-C6-HSL, das LuxR bindet und die luxICDABE-Transkription aktiviert. Weitere Beispiele sind die LasI/LasR- und RhlI/RhlR-Systeme in Pseudomonas aeruginosa, die Virulenzfaktoren und die Biofilmbildung regulieren, sowie das TraI/TraR-System in Agrobacterium tumefaciens, das die Ti-Plasmid-Konjugation steuert.
Gram-positives Quorum Sensing
Grampositive Bakterien nutzen posttranslational modifizierte Oligopeptide (autoinduzierende Peptide, AIPs) als Signalmoleküle, die von Zweikomponenten-Histidinkinase-Rezeptoren erkannt werden. AIPs werden von speziellen ABC-Transportern verarbeitet und exportiert; Die Signalerkennung umfasst die Autophosphorylierung der Histidinkinase und den Phosphotransfer zu einem Reaktionsregulator. Das Agr-System in Staphylococcus aureus steuert die Expression des Virulenzfaktors – AgrD wird zu AIP verarbeitet, von der AgrC-Histidinkinase erkannt und aktiviert AgrA, das RNAIII und Delta-Hämolysin reguliert.
Universelles Quorum Sensing
Autoinducer-2 (AI-2), produziert von LuxS, wird als universelles Signalmolekül zwischen den Spezies vorgeschlagen, da LuxS sowohl in grampositiven als auch gramnegativen Bakterien vorkommt. AI-2 ist ein Furanosylboratdiester (in Vibrio harveyi) oder eine hydratisierte Form von 4,5-Dihydroxy-2,3-pentandion (DPD), und sein Nachweis variiert je nach Art.
QS-regulierte Phänotypen
Quorum Sensing steuert die Biofilmbildung, indem es den Übergang vom planktonischen zum Biofilm-Lebensstil reguliert – in P. aeruginosa aktiviert das Las-System die Exopolysaccharid-Gene pel und psl. Es reguliert auch die Produktion von Virulenzfaktoren, einschließlich Toxinen, Proteasen und Siderophoren; in S. aureus reguliert das Agr-System Alpha-Toxin, Hämolysine und Enterotoxine hoch. QS steuert die Schwarmmotilität, indem es die Genexpression der Flagellen und die Tensidproduktion für eine koordinierte Oberflächenbewegung reguliert. Die Produktion von Antibiotika erfolgt bei vielen Bodenbakterien nur bei hoher Zelldichte, wodurch eine interbakterielle Konkurrenz vermittelt wird.
Quorum Quenching
Quorum-Quenching kann durch enzymatischen Abbau von Autoinduktoren erfolgen – AHL-Lactonasen (AiiA) hydrolysieren den Lactonring, während AHL-Acylasen die Acylseitenkette spalten. QS-Signalmimetika und -Antagonisten wie Furanonverbindungen aus Delisea pulchra hemmen kompetitiv die AHL-Bindung an LuxR-Typ-Rezeptoren. Antikörper gegen Autoinduktoren können QS-Signale neutralisieren und die Virulenz in vivo abschwächen.
Klinische Relevanz
QS-Inhibitoren (Quorum Quenching) werden als Antivirulenzstrategien untersucht, die den selektiven Resistenzdruck vermeiden. P. aeruginosa QS-Mutanten zeigen in Tiermodellen eine verringerte Virulenz. QS-Systeme sind Ziele für neuartige Therapieansätze gegen biofilmassoziierte chronische Infektionen.
