Als Quorum sensing (QS) wird die Fähigkeit von Einzellern bezeichnet, über chemische Kommunikation mittels hoch spezifischer Signalmoleküle die Zelldichte der Population der eigenen Art und die Komplexität der Gemeinschaft messen zu können. Auch der Kontakt der Bakterien mit höheren Lebewesen wird über QS reguliert. Bakterien können über QS schnell auf Veränderungen ihrer Umgebung reagieren, um das Überleben der Population zu sichern, Vorteile gegenüber Konkurrenten zu erlangen und um neue geeignete ökologische Nischen zu erschließen. Dabei können sie gezielt die Kommunikation anderer Bakterien stören. Störungen der Quorum-Sensing-Kommunikation bezeichnet man als Quorum Quenching. Das QS-System erlaubt den Mikroorganismen, sich geschützt in der Gemeinschaft, in Biofilmen, bis zu einer kritischen Zellzahl zu vermehren, um dann den Phänotyp der Population gemeinsam zu ändern. Dabei werden Gene nur dann aktiviert, wenn eine bestimmte Zelldichte, das Quorum, über- oder unterschritten wird.
An sich stammt der Begriff Quorum aus der Zeit des römischen Reiches und bezeichnete im Senat die für eine Abstimmung benötigte geringste Zahl an Mitgliedern.
Entdeckung des QS-Systems Das Phänomen des QS-Systems beschrieben erstmals die Wissenschaftler Kenneth Nealson, Terry Platt, und J. Woodland Hastings, als sie im Jahr 1970 an marinen Bakterien die Biolumineszenz untersuchten. Die Untersuchungen führten sie an in Kultur gehaltenen Bakterien, den Aliivibrio fischeri durch, die natürlicherweise symbiontisch in den Leuchtorganen der Tiefseefische leben. Aliivibrio fischeri (ehemals Photobacterium fischeri) biolumineszierte kurze Zeit während der exponentiellen Wachstumsphase in Suspension. Dieses Phänomen bezogen die Wissenschaftler auf eine Konditionierung des Mediums. Die damit verbundene Aktivierung der Gene induzierte die Bakterienpopulation selbst. Die Arbeitsgruppe prägte daraufhin den Begriff der Autoinduktion.Kenneth H. Nealson, Terry Platt und J. Woodland Hastings: Cellular control of the synthesis and activity of the bacterial luminescent system. In: Journal of Bacteriology, Band 104, Nummer 1, S. 313-22, 1970, , PMID 5473898, . An der Erforschung des Quorum sensing in den 1990er Jahren war die amerikanische Professorin Bonnie L. Bassler maßgeblich beteiligt, die dafür mit Michael R. Silverman 2021 den Paul-Ehrlich-und-Ludwig-Darmstaedter-Preis erhielt. Der Begriff wurde durch Fuqua, Winans und Greenberg geprägt.W. C. Fuqua, S. C. Winans, E. P. Greenberg: Quorum sensing in bacteria: the LuxR-LuxI family of cell density-responsive transcriptional regulators. In: Journal of bacteriology. Band 176, Nummer 2, Januar 1994, S. 269–275, PMID 8288518, , (Review).
Funktionen des QS-Systems Quorum sensing wird von Bakterien genutzt, um Prozesse zu koordinieren, die ineffizient wären, wenn sie nur von einzelnen Zellen durchgeführt würden, z. B. Biolumineszenz, die Bildung von Biofilmen, die Sekretion von Antibiotika und Pathogenitätsfaktoren, die Fruchtkörperbildung bei Myxobakterien, die Sporulation bei Bacillus subtilis, die Infektion von PflanzenKathrin Riedel, Susan Schönmann und Leo Eberl: Quorum sensing in Pflanzen-assoziierten Bakterien. In: BIOspektrum, Band 11, Jahrgang 4, S. 385–388, (freier Volltext). und anderen eukaryotischen WirtenBonnie L. Bassler und Richard Losick: Bacterially speaking. In: Cell, Band 125, 2 Jahrgang, S. 237–246, 21. April 2006, , (freier Volltext). und die Beteiligung von Bakterien an Ökosystemen wie beispielsweise dem Korallenriff.Laura R. Hmelo: Quorum Sensing in Marine Microbial Environments. In: Annual Review of Marine Science, Band 9, S. 257–281, 3. Januar 2017, . Durch QS wird das Verhalten der Bakterien einer Art auf engstem Raum koordiniert. Pseudomonas aeruginosa, ein Erreger von Lungenentzündung und anderen Infektionen, kann innerhalb seines Wirts leben, ohne ihn zu schädigen. Wenn er sich jedoch stark vermehrt, bilden die Zellen Biofilme, werden pathogen und können zur Erkrankung des Wirts führen.Roger S. Smith und Barbara H. Iglewski: Pseudomonas aeruginosa quorum sensing as a potential antimicrobial target. In: Journal of Clinical Investigation, Band 112, Nummer 10, S. 1460–1465, 15. November 2003, , (freier Volltext).
Die Zell-Zell-Kommunikation beruht auf vier wesentlichen Eigenschaften: Synthese der Autoinduktoren, Freisetzung und Ausscheidung dieser Autoinduktoren ins Medium, Anreichung der Autoinduktoren bis zu einer Schwellenkonzentration und Erkennung der Autoinduktoren durch zellspezifische Rezeptoren, die eine Regulation der Genexpression veranlassen.
mini|300px|Schema des Quorum sensings,Links: Konzentration an Autoinduktormolekülen (blau) gering,Rechts: Konzentration an Autoinduktormolekülen hoch, dadurch Synthese des bakteriellen Produkts (rot). Die Autoinduktoren, die kontinuierlich in geringen Konzentrationen von jedem Bakterium in die Umgebung diffundieren, erreichen erst ab einer bestimmten Zelldichte eine ausreichend hohe Schwellenkonzentration, die eine Änderung der bakteriellen Genexpression herbeiführt. Die dabei ausgelöste positive Rückkopplung der Signalmoleküle induziert ihre eigene Synthese. Durch die vollständige Aktivierung der bakteriellen Rezeptoren wird eine schnelle physiologische Antwort erreicht, die zu einem veränderten Phänotyp der Zellen in der Gemeinschaft führt (Abbildung). Auf diese Art wird die für die Biolumineszenz verantwortliche Luciferase induziert.Franziska S. Birmes und Susanne Fetzner: Quorum sensing Bakterielle Kommunikation: Signale und Signal-inaktivierende Enzyme. In: BIOspektrum, 22. Jahrgang, 2016, , (freier Volltext). Die Gemeinschaft synchronisiert dabei über QS kollektiv den Phänotyp, ähnlich wie Zellen in mehrzelligen Organismen.Michael J. Federle: Autoinducer-2-based chemical communication in bacteria: complexities of interspecies signaling. In: Contributions to Microbiology, Band 16, Nummer 18, 2009, PMID 19494577, . Die durch die Signalmoleküle aktivierten Rezeptoren induzieren entweder direkt die Expression der Zielgene oder leiten das Signal über eine Signaltransduktion weiter. Die Genexpression wird letztendlich durch Transkriptionsfaktoren gesteuert, die als molekulare Schalter fungieren.H. Sztaljer, A. Lemme und I. Wagner-Döbler: Quorum Sensing und Karies. In: BIOspektrum, 14. Jahrgang, S. 578–582, 2008, (freier Volltext).
Die Bedeutung der Autoinduktoren im QS Die Autoinduktoren sind allgemein frei diffundierende, amphiphile Moleküle, die über die Zellmembran von den Bakterien beständig in kleinen Mengen in die Umgebung abgegeben werden. Bei gramnegativen Bakterien sind dies vorwiegend niedermolekulare Verbindungen, während es sich bei grampositiven Bakterien um Oligopeptide handelt.Yannick Hecher und Kai Papernfort: Klein, gefährlich und gesprächig – Quorum sensing bei Vibrio cholerae. In: BIOspektrum, Band 26, Ausgabe 2, S. 136–138, März 2020, . Über die Konzentration der abgegebenen Signalmoleküle können Bakterien die Populationsdichte und die Komplexität der Gemeinschaft messen und ab einer kritischen Konzentration den Phänotyp der Population verändern. Bakterien können in komplexen Milieus gleichzeitig über verschiedene QS-Systeme mit unterschiedlichen Autoinduktoren kommunizieren und sich im Kollektiv der jeweiligen Situation anpassen. Sie erhalten dadurch gegenüber anderen Bakterien einen Wettbewerbsvorteil.Yannick Hecher und Kai Papenport: Klein, gefährlich und gesprächig – Quorum sensing bei Vibrio cholerae. In: BIOspektrum, Band 26, Nummer 2, S. 136–138, März 2020, . So verwendet das marine Vibrio harveyi für die zwischenartliche Kommunikation und den Austausch zwischen den Gattungen drei unterschiedliche Autoinduktoren. Insgesamt können dabei bis zu 600 Gene reguliert werden.Melissa B Miller, Karen Skorupski, Derrick H Lenz, Ronald K Taylor und Bonnie L Bassler: Parallel quorum sensing systems converge to regulate virulence in Vibrio cholerae. In: Cell, Band 110, Ausgabe 3, S. 303-14, 9. August 2002, , (freier Volltext).Julia C van Kessel, Steven T Rutherford, Yi Shao, Alan F Utria und Bonnie L Bassler: Individual and combined roles of the master regulators AphA and LuxR in control of the Vibrio harveyi quorum-sensing regulon. In: Journal of Bacteriology, Band 195, Ausgabe 3, S. 436-43, Februar 2013, , (freier Volltext).
Die sezernierten Autoinduktoren lassen sich aufgrund ihrer chemischen Struktur und ihrer Rezeptoren verschiedenen Gruppen zuordnen:
Autoinduktor-1 (Al-1) Autoinduktor-1 (Al-1) ist vor allem bei gramnegativen Bakterien vertreten und dient ausschließlich der innerartlichen Kommunikation. Die meisten Bakterien verwenden acylierte Homoserinlaktone, (N-Acyl-Homoserinlakton, (AHL)) als Signalmolekül, einige auch Aryl-Homoserinlakton für die intraspezifische Kommunikation. Die Synthese geht von der Aminosäure S-Adenosylmethionin aus. Die Länge der Alkylkette des N-Acyl-Homoserinlaktons kann variieren, Modifikationen aufweisen und dadurch zusätzlich die Stabilität sowie die Signaldynamik des Moleküls beeinflussen.Kai Papenfort und Bonnie Bassler: Quorum-Sensing Signal-Response Systems in Gram-Negative Bacteria. In: Nature Reviews Microbiology, Band 14, Nummer 9, S. 576–588, 11. August 2016, , PMID 27510864.Warren R.J.D Galloway, James T. Hodgkinson, Steven D. Bowden, Martin Welch und David R. Spring: Quorum sensing in Gram-negative bacteria: small-molecule modulation of AHL and AI-2 quorum sensing pathways. In: Chemical Reviews, Band 111, Nummer 1, S. 28–67, 12. Januar 2011, . Die N-Acyl-Homoserinlaktone werden mit Hilfe der bakteriellen Enzyme aus der Familie der LuxI-Synthase, (AHL-Synthase) produziert.Rebecca J Case, Maurizio Labbate und Staffan Kjelleberg: AHL-driven quorum-sensing circuits: their frequency and function among the Proteobacteria. In: ISME Journal, Band 2, Nummer 4, S. 345-9, April 2008, . Die hydrophoben AHL-Moleküle sind membrangängig und reichern sich in der Umgebung der Bakterien an. Nach Erreichen der Schwellenkonzentration binden AHL an cytoplasmatische Rezeptorproteine der LuxR-Familie und induzieren durch Bindung an die DNA vielfältige biologische Prozesse.Kai Papenfort und Bonnie Bassler: Quorum-Sensing Signal-Response Systems in Gram-Negative Bacteria. In: Nature Reviews Microbiology, Band 14, Nummer 9, S. 576–588, 11. August 2016, , PMID 27510864. Dieses LuxI/LuxR-QS-System mit AHL als Signalmolekül ist für viele gramnegative Bakterien typisch.
Es gibt mehrere Varianten des Systems, beispielsweise bei Pseudomonas aeruginosa mit dem Autoinduktor N-Butyroyl-L-Homoserinlakton und dem RhlI/RhlR-QS-System und bei Chromobacterium violaceum mit N-Hexanoyl-L-Homoserinlakton und dem Cvil/CviR-QS-System.Nazzareno Dominelli und Ralf Heermann: Die stille Kommunikation der Bakterien Small Talk. In: Biologie in unserer Zeit, Band 50, S. 414–423, 2020, , (freier Volltext).
Viele Proteobakterien besitzen zusätzlich zu dem LuxI/LuxR-QS-System weitere LuxR- homologe Rezeptoren, dabei aber keine Synthasen, die der LuxI-Synthase verwandt sind. Diese Systeme bezeichnet man als LuxI-Solo. Sie ermöglichen Bakterien, auf exogen produziertes AHL zu reagieren und damit eine Kommunikation mit anderen artfremden Bakterien einzugehen.Sophie Brameyer, Darko Kresovic, Helge B Bode und Ralf Heermann: Dialkylresorcinole als bakterielle Signalmoleküle. In: Proceedings of the National Academy of Sciences, Band 112, Nummer 2, S. 572-7, 2015, , (freier Volltext).