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UNIVERSIDAD AGRARIA DEL ECUADOR.
FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS.
CARRERA DE INGENIERÍA AMBIENTAL.
TRABAJO DE MICROBIOLOGÍA.
TEMA:
QUORUM SENSING EN LA ASOCIACIÓN BENEFICIOSA EN LAS
BACTERIAS CON LAS PLANTAS.
PROFESORA:
Blga. MILVIANA MALDONADO Msc.
INTEGRANTES:
JACKSON CAICEDO.
CAROLAY CEVALLOS.
GINA ESCALA.
GERSON ESTUPIÑAN.
BAIRON DUTÁN.
CURSO:
1ERO. “B” DE AMBIENTAL, 2 – SEMESTRE.
GUAYAQUIL, 5 DE MAYO DEL 2014
1. Resumen
Se conoce que el Quorum sensing es un atributo común de muchas especies
bacterianas y que puede ser un carácter universal de las bacterias. Actualmente se están
describiendo a un paso más rápido nuevas señales y nuevos sistemas de regulación por
Quorum sensing y se han desarrollado las investigaciones acerca de la comunicación
célula-célula en bacterias basada en el mecanismo de quorum sensing.
En los ambientes naturales existen muchas bacterias que viven juntas y utilizan
varias clases de moléculas señales. Dentro de las señales especie específicas
predominan las acilhomoserín lactonas (AHLs), pero ya se han descrito una amplia
diversidad de moléculas involucradas en la señalización célula-célula. Numerosos
bioensayos y sistemas sensores se han desarrollado para la detección, caracterización y
cuantificación de las AHLs. Se han obtenido evidencias de la acción de estas moléculas
señales en la colonización de la rizosfera, el swarming, las interacciones simbióticas y la
capacidad de interrumpir el proceso de señalización de otras bacterias que convivan en
el mismo ambiente.
Todas estas potencialidades de las bacterias que involucran el mecanismo de
Quorum sensing, pudieran ser utilizadas para fortalecerla acción estimuladora del
crecimiento vegetal y el control biológico de patógenos en los agroecosistemas
sostenibles.
Abstract
The quorum sensing is a common attribute in some bacterial species. Currently,
several signals and new regulation systems are describing and the researchers are very
interested in the cell-cell communication based on quorum sensing mechanism. In the
natural environments several bacteria are living together, then several types of signal
molecules are using.
The acylhomoserines lactones (AHLs) are predominant, but a wide range of
molecules are involved in cell-cell communication. To detect, characterization and
quantification of signals numerous bioassays and sensors systems were developed. It
i
were demonstrated the action of signals molecules in the rhizosphere colonization,
swarming, symbiotic interactions and the capacity to break the signaling process of
another microorganism in the same environment. These potentialities of bacteria would
be used to improve the plant growth stimulation and biological control of pathogens in
sustainable agricultural.
ii
Tabla de contenido
Resumen.............................................................................................................. i
1. Introducción..................................................................................................1
1.1 Objetivo General....................................................................................2
1.1.1 Objetivos Específicos......................................................................2
2. Antecedentes...............................................................................................2
3. Metodología.................................................................................................3
3.1 Área de estudio......................................................................................3
3.1.1 Mecanismo Quorum sensing...............................................................4
3.1.2 Sistemas de péptidos autoinductores (AIP), AHLs..........................4
3.1.3 Mecanismo de cuantificación de moléculas señales...........................5
4. Resultados...................................................................................................5
4.1 Funcionamiento del Mecanismo Quorum sensing.................................5
4.1.1 Diversidad de las moléculas señales...............................................6
4.1.2 Descripción y cuantificación de las moléculas señales...................7
5. Discución......................................................¡Error! Marcador no definido.6. Conclusiones................................................................................................9
7. Bibliografía.................................................................................................10
iii
Índice de figurasFigura # 1. Mapa de la Universidad de la Habana..........................................................3Figura # 2. Mecanismo del Quorum sensing....................................................................6Figura # 3. Diversificación de las moléculas señales.......................................................7Figura # 4. Mecanismo de Cuantificación........................................................................8
iv
1. Introducción
El descubrimiento de que las bacterias tienen la capacidad de comunicarse entre
ellas cambio la percepción de que son sencillos y simples organismos que habitan en
nuestro mundo. En lugar del lenguaje, las bacterias usan moléculas señales, las cuales
son secretadas al ambiente, y la concentración de los compuestos químicos está en
dependencia de la densidad de la población. Actualmente se están describiendo a un
paso más rápido nuevas señales y nuevos sistema de regulación por quorum sensing
(GEENBERG, 2002)
En nuestros días el término de Quorum sensing se usa para describir el
fenómeno en el cual la acumulación de moléculas señales permite a una célula
individual percibir el número de bacterias (densidad celular) que tiene a su alrededor la
detección y reacción con estos, compuesto esto es suficiente para que las bacterias
inicien la expresión coordinada de genes específicos, lo que le implica un cambio en su
comportamiento hacia una fase multicelular. (Bentley, 2004)
Los cambios en el comportamiento resultan en la activación de genes específicos
en repuesta a la señal. El propósito del cambio es que la población de bacteria pueda
cooperar para explorar el ambiente de formas que no pueden hacer las células
individuales. Por ejemplo, una célula de una bacteria patógena a que intenta invadir su
hospedero tiene pocas posibilidades de entrar debido al sistema de defensa de la planta,
entonces, para evadir la respuesta defensiva temprana de la planta, los patógenos
retrasan la expresión de factores de virulencia. En los ambientes naturales existen
muchas bacterias que viven juntas y utilizan varias clases de moléculas señales. Como
emplean diferentes lenguajes no necesariamente pueden interactuar con otras bacterias.
(López, 2008)
Existen grandes grupos de señalización por Quorum sensing: la intraespecifica y
la interespecifica. Dentro de las señales especie especificas en las bacterias Gram
negativas predominan las acilhomoserin lactonas (AHLs) y las Gram positivas este
mecanismo es mayormente mediado por pequeños péptidos (Gonzales, 2004)
1
1.1 Objetivo General
Describir el Quorum Sensing en la asociación beneficiosa de las bacterias con
las plantas.
1.1.1 Objetivos Específicos
Describir el funcionamiento del mecanismo Quorum Sensing.
Explicar la diversidad estructural de las moléculas señales.
Explicar y cuantificar las moléculas señales.
2. Antecedentes
En el año 1977 NEALSON, estudiando el fenómeno de la bioluminiscencia en
Vibrios marinos, define el término autoinducción, que en 1994 es rebautizado por
FUQUA et al. (2006), por el de “Quorum sensing” o percepción de quórum en
castellano. Quedando definido como “El mecanismo bacteriano de comunicación
intercelular que controla la expresión génica en función de la densidad celular”.
(Gonzales, 2004)
Desde el año 1994 hasta la actualidad, se han descrito numerosos procesos
fisiológicos regulados por quorum sensing, DIGGLE et al. (2007), tales como:
• Bioluminiscencia.
• Maduración de biofilms.
• Pigmentación.
• Producción de algunos metabolitos secundarios.
• Inducción de la competencia en bacterias.
El Quorum sensing se podría definir como el lenguaje bacteriano. Es el
mecanismo empleado por poblaciones bacterianas para poder comunicarse unas células
con otras de tal manera que puedan regular diferentes fenotipos de una forma
coordinada. Este lenguaje está basado en la secreción de moléculas al exterior. Estas
moléculas son identificadas por el resto de las bacterias de la población, de tal forma
que una vez reconocida por las células vecinas estas pueden modificar su
comportamiento. (Greenberg, 2002)
El mecanismo de acción del Quorum sensing es el siguiente: Las bacterias
producen ciertas moléculas señal (conocidas también como auto inductores o
feromonas) que son exportados al exterior; mientras la población bacteriana no alcanza
2
cierta densidad, la cantidad de estas moléculas en el medio no es suficiente como para
ser detectada o producir un efecto en las células vecinas. Pero la población bacteriana
crece, y cuando alcanza una determinada densidad se empieza a incrementar y acumular
este tipo de señales, que son reconocidas por el resto de la población, así se coordina la
expresión de ciertos genes que a su vez pueden inducir ciertos fenotipos tales como la
producción de biofilm, toxinas, etc. (Greenberg, 2002)
Este fenómeno, no solo se emplea en la comunicación de una especie bacteriana
consigo misma, sino que también se ha descrito en la comunicación Inter-especie.
Varios autores han descrito comunicación mediante huésped (por hormonas como
epinefrina, u otras moléculas como interferón c, etc.) con las bacterias comensales o
patógenas (Quorum sensing); cuando esta comunicación se altera, conlleva un proceso
de infección. Desde hace algunos años se están desarrollando estudios para diseñar
moléculas anti-Quorum sensing. (Gonzales, 2004)
La idea de estos es impedir la comunicación entre las bacterias, de tal manera
que se desestructura la comunidad, esto deshabilitaría su capacidad de ser virulentas y
patogénicas. La ventaja es que existen pocas probabilidades de desarrollar resistencia.
Actualmente diversas compañías farmacéuticas y diferentes Universidades tales como la
Universidad de Nottingham están colaborando para desarrollar este tipo de terapias.
(Gonzales, 2004)
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UNIVERSIDAD AGRARIA DEL ECUADOR.
FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS.
CARRERA DE INGENIERÍA AMBIENTAL.
TRABAJO DE MICROBIOLOGÍA.
TEMA:
QUORUM SENSING EN LA ASOCIACIÓN BENEFICIOSA EN LAS
BACTERIAS CON LAS PLANTAS.
PROFESORA:
Blga. MILVIANA MALDONADO Msc.
INTEGRANTES:
JACKSON CAICEDO.
CAROLAY CEVALLOS.
GINA ESCALA.
GERSON ESTUPIÑAN.
BAIRON DUTÁN.
CURSO:
1ERO. “B” DE AMBIENTAL, 2 – SEMESTRE.
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3. Metodología
3.1 Área de estudio.
Departamento de microbiología y virología, Facultad de Biología, Universidad de la Habana, Cuba. 2/Diciembre/2011.
Figura # 1. Mapa de la Universidad de la Habana.
3.1.1 Mecanismo Quorum sensing
Es la (comunicación célula – célula o autoinducción, control de luminiscencia. El
primer proceso fisiológico estudiado que estaba regulado por un sistema de quorum
sensing fue la bioluminiscencia producida por dos bacterias marinas:
• Vibrio fischeri (especie simbionte).
• Vibrio harveyi (especie pelágica).
En un matraz con medio de cultivo Sea-Water se inoculó una cepa de V. harveyi y se
realizó un análisis de su crecimiento mediante la determinación de la evolución de la
densidad óptica del cultivo medido espectrofotométricamente a 660 nm, se determinó la
bioluminiscencia in vivo e in vitro empleando un luminómetro y por último se
determinó la presencia de luciferasa (enzima que cataliza el proceso producción de la
bioluminiscencia) mediante un método inmunológico (CRM) Se pudo observar que
estas bacterias cuando se encuentran libres formando parte del plancton marino no eran
capaces de producir bioluminiscencia, mientras que cuando eran cultivadas en el
laboratorio en el medio de cultivo Sea-Water sí producían este fenómeno. Esto hizo
plantearse a los investigadores la posible relación entre la bioluminiscencia y la
densidad celular. (Sen., 2010)
5
3.1.2 Sistemas de péptidos autoinductores (AIP), AHLs
La importancia de las señales de QS en procesos infecciosos y su interés
biotecnológico aumentó la importancia de disponer de sistemas sensores para la
detección de tales moléculas. Esto permitió el descubrimiento de señales de QS en otras
bacterias. En estos estudios se usaron cepas biosensoras que permiten detectar de forma
sencilla la producción de autoinductores por otros organismos. Un ejemplo sería una
cepa de E. coli transformada con el gen luxR de V. fischeri acoplado al promotor y
operón lux, pero del que se elimina el gen luxI y por lo tanto no hay producción de
AHL. Esta cepa no produce luz a menos que se le proporcione una AHL exógena.
Además de genes chivatos lux también se usan lacZ.
Otro sistema de detección consiste en la utilización de Chromobacterium
violaceum como cepa biosensora, ya que este sistema es menos específico que el
sistema LuxR/LuxI y sirve para detectar de forma sencilla un amplio rango de AHLs.
En esta bacteria la producción del pigmento púrpura violaceína, insoluble en agua, está
regulada por un sistema de QS. En un mutante múltiple albino (CV026) la producción
del pigmento puede ser inducida por la adición de AHL con cadena lateral de entre 4 y 8
átomos de carbono; Cámara et al., 1998) (Figura 5). También se pueden detectar AHLs
con cadenas de mayor longitud por inducción de la producción de violaceína con el
biosensor C. violaceum VIR07. (Bernárdez, 2010)
3.1.3 Mecanismo de cuantificación de moléculas señales.
La cepa CV026 de Chromobacterium violaceum es uno de los sistemas más
utilizados en este sentido. Esta cepa es una mutante mini-Tn5 de la cepa tipo de esta
especie ATCC 31532, en la cual la producción de AHL está involucrada en la síntesis
de violaceína, lo que permite su detección (McClean et al, 1997). Otro sistema muy
conocido para la detección de AHLs es el que utiliza Agrobacterium tumefaciens NTL4
(pZLR4) como organismo indicador (Cha et al., 1998). Esta construcción consiste en la
inserción del gen que codifica para la β-glucoronidasa, lo que permite la detección de la
producción de la molécula por la cepa a probar. ( MARCH,J.C AND BENTLEY ,
2004)
6
4. Resultados
4.1 Funcionamiento del Mecanismo Quorum sensing.
Quorum sensing se podría definir como el lenguaje bacteriano. Es el mecanismo
empleado por poblaciones bacterianas para poder comunicarse unas células con otras de
tal manera que puedan regular diferentes fenotipos de una forma coordinada. Este
lenguaje está basado en la secreción de moléculas al exterior. Estas moléculas son
identificadas por el resto de las bacterias de la población, de tal forma que una vez
reconocida por las células vecinas estas pueden modificar su comportamiento. (Gestal.,
20012)
El mecanismo de acción del Quorum sensing es el siguiente: Las bacterias
producen ciertas moléculas señal (conocidas también como auto inductores o
feromonas) que son exportados al exterior; mientras la población bacteriana no alcanza
cierta densidad, la cantidad de estas moléculas en el medio no es suficiente como para
ser detectada o producir un efecto en las células vecinas. Pero la población bacteriana
crece, y cuando alcanza una determinada densidad se empieza a incrementar y acumular
este tipo de señales, que son reconocidas por el resto de la población, así se coordina la
expresión de ciertos genes que a su vez pueden inducir ciertos fenotipos tales como la
producción de biofilm, toxinas, etc. (Gestal., 20012)
Este fenómeno, no solo se emplea en la comunicación de una especie bacteriana
consigo misma, sino que también se ha descrito en la comunicación Inter-especie.
Varios autores han descrito comunicación mediante huésped (por hormonas como
epinefrina, u otras moléculas como interferón c, etc.) con las bacterias comensales o
patógenas (Quorum sensing); cuando esta comunicación se altera, conlleva un proceso
de infección. Desde hace algunos años se están desarrollando estudios para diseñar
moléculas anti-quorum sensing. (Gestal., 20012)
Figura # 2. Mecanismo del Quorum sensing.
7
4.1.1 Diversidad de las moléculas señales.
En las investigaciones recientes han mostrado la amplia diversidad de las
moléculas involucradas en la señalización célula-célula. Las más estudiadas para varias
especies de bacterias son las acilhonoserin lactonas (AHLs) además se han descritos
otros sistemas pero el (AHLs) son las más difundidas en muchos caso que se han
estudiado a profundidad. (Rojas, 2011)
Luxl es una familia de proteínas que directamente participa en la síntesis de la
molécula señal tiene una cadena de 190-230 aminoácidos los cuales comparten entre 30-
35% de pares de bases de identidad. (Rojas, 2011)
En la mayoría de proteínas de tipo Luxl existen 10 residuos conservados en los
110 aminoácidos amino-terminales desafortunadamente no se puede predecir cual
AHLs será sintetizada por los diferentes homólogos de Luxl teniendo en cuenta
solamente el análisis de la secuencia. (Rojas, 2011)
Los aislamientos de la secuencias de aminoácidos revela sorprendentemente
poca identidad solo 5 residuos se conservan totalmente en las secuencias que están
actualmente disponibles. Las 2 terceras partes de la región amino-terminal de luxR
actúan como sitio de unión de AHLs de ahí que se requieren altas concentraciones de
estas moléculas para la inducción de este tipo de proteínas. (Rojas, 2011)
Figura # 3. Diversificación de las moléculas señales.
8
4.1.2 Descripción y cuantificación de las moléculas señales.
La genética nos permite conocer el proceso de transmisión y de información, que
permite el desarrollo de un microorganismo con una morfología y un metabolismo
determinado; esta transmisión de información puede ocurrir entre unas células y sus
descendientes o entre células que conviven en un mismo ambiente, y que pueden no
estar relacionadas genealógicamente; un ejemplo es: transformación, conjugación y
transducción. (Rojas, 2011)
Desde el punto de vista aplicado esto puede ayudar a controlar la colonización
de la raíz y permanencia de las bacterias en los tejidos vegetales. Y la rizosfera; lo cual
puede tener importantes aplicaciones en la agricultura ya que puede ser utilizado en el
control biológico de patógenos y estimulación de crecimiento vegetal. (Rojas, 2011)
Figura # 4. Mecanismo de Cuantificación.
5. Discusión
“Las bacterias se comunican a través de señales mensajeras como las AHLs. Ha
existido un gran progreso en la descripción molecular de los mecanismos genéticos que
regulan este fenómeno, lo cual ha permitido analizar los procesos fisiológicos regulados
9
por Quorum sensing. Las bacterias utilizan el mecanismo de Quorum sensing para
controlar numerosos procesos fisiológicos”. (Bentley, 2004)
“El Quorum sensing es una atribución de muchas especies bacterianas y que puede ser
un carácter universal de las bacterias. Actualmente se puede comprender cómo pueden
“hablar” las bacterias a través de señales mensajeras como las AHLs. Las bacterias son
capaces de saber cuántas son, mediante la producción y detección de la acumulación de
una molécula de señalización que exportan en su entorno dichas moléculas pueden ser
consideradas feromonas. (Mata, 2001)
6. Conclusiones
El lenguaje de las bacterias, son las moléculas señales (Quorum sensing),
encargadas en el transporte de información de célula – célula, este mecanismo describe
la acumulación de moléculas señales, permite a una célula individual percibir el
número de bacterias que tiene a su alrededor por la detención y reacción de estos
compuestos.
El transporte de las (AHLs) DE CADENAS cortas se da por simple difusión,
mientras que para las AHLs de cadenas de más de 12 átomos de carbono ocurre una
transportación activa atreves de un sistema de ex flujo o influjo como se ha estudiado en
pseudomonas aeruginosa.
El Quorum sensing es un mecanismo, que crea un metabolismo que permite
conocer el proceso de la trasmisión de información y el desarrollo de un
microorganismo con una morfología de un metabolismo determinado, que a través de
procesos se multiplican dichas señales.
10
7. Bibliografía
Bentley, M. . (2004). Quorum Sensing. In B. Current.
Gestal., B. M. (20012, Octubre). EDUCA BARRIÉ. Retrieved Mayo 2, 2014, from EDUCA BARRIÉ: http://www.educabarrie.org/palabrario/quorum-sensing
Gonzales, C. (2004). Microbiologia en linea. In M. Hernandez, Comunicación entre celulas.
Greenberg, F. . (2002). Molecular Cell Biology. In F. Greenberg, Molecular Cell Biology.
López, L. F.-A. (2008, Febrero). Quorum Sensing - MICROBIOLOGIA. Retrieved Mayo 1, 2014, from www.documentsmicrobiologia.org
Mata, D. P. (2001, Febrero). Retrieved Mayo 21, 2014, from http://oa.upm.es/6334/2/TESIS_MASTER_DIEGO_PARDILLA_MATA.pdf
Rojas, M. M. (2011, Diciembre 2). Retrieved Mayo 1, 2014, from www.oalib.com/paper/2198325#.U2ud0FeCTbw
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