Epsilon Archive for Student Projects

Abstract

Den här litteraturstudien syftar till att översiktligt förklara hur bakterier kommunicerar med varandra och att sammanfatta hur mekanismen kan hämmas, med syfte att minska bakteriers virulens och förmåga att manifestera infektion.

Quorum sensing är bakteriers förmåga att kommunicera med varandra och ger dem möjligheten att uppvisa en form av multicellularitet. Till följd av kommunikationen kan de med en hög grad av samordning och på ett energieffektivt sätt uttrycka virulensfaktorer som biofilm, motilitet, toxiner eller bioluminiscens som möjliggör infektion. Genom att studera symbiosförhållandet mellan bläckfisken Euprymna scolope och bakterien Vibrio fisheri, ökade förståelsen kring hur celldensiteten hos bakterierna ledde till det aktiverade gensvaret, vilket visade sig i en självlysande förmåga hos den typen av bakterier. Gensvaret i sig är beroende av kommunikationen mellan bakterierna, och sker med kemiska signalsubstanser kallade autoinducerare.

Autoinducerarna skiljer sig mellan gramnegativa och grampositiva bakterier baserat på molekylens utseende, som enkelt beskrivet resulterar i bakteriernas språk. Gramnegativa bakterier använder sig av homoserin-laktoner medan grampositiva bakterier använder sig av oligopeptider för kommunikation inom bakteriearten, kallat intraspecieskommunikation. Det pågår även kommunikation mellan bakteriearter, vilket kallas interspecieskommunikation. Interspecieskommunikationen är essentiellt för bland annat biofilmsformation, och sker med autoinducerande furanosyl-borat-estrar.

På grund av årtionden med riklig antibiotikaanvändning globalt har multiresistenta bakterier selekterats fram. Det medför att forskare letar efter alternativa vägar för att hämma dessa infektioner. Läkemedel riktade mot quorum sensing kan möjligen bli ett alternativ till, eller användas i kombination med konventionell antibiotika för terapeutiska behov i framtiden. Det kan till exempel ske genom autoinducerarreceptor-antagonister, hämning av autoinducerarsyntes, inaktivering av autoinducerare, eller genom att hämma sekretion av autoinducerare. Än råder det viss oenighet hos forskare huruvida resistens kan komma att utvecklas mot quorum sensing-hämmare. Vissa forskare menar att det inte sker resistens mot dessa, eftersom bakteriernas DNA inte påverkas och då heller inte bakteriernas tillväxt. Andra forskare anser att det selektiva trycket för resistens kommer minska om man använder quorum sensing synergiskt med konventionell antibiotika, eftersom dessa kombinationspreparat innebär att lägre doser kan ges. Den tredje gruppen forskare menar att resistensutvecklingen redan pågår.

Hittills har det enbart gjorts ett fåtal kliniska studier avseende quorum sensing och resultaten har varierat. Det råder däremot inga tvivel om att quorum sensing-hämmare kan bli ett alternativ för att behandla bakteriell sjukdom hos djur och växter i framtiden. Men det krävs vidare forskning och en djupare förståelse för hur quorum sensing kan användas som måltavla för läkemedel på ett säkert sätt för patienten och miljön innan det kommer tas i bruk.

This literature study aims to summarize how communication takes place in Gram-negative and Gram-positive bacteria. It will describe some ways we can utilize quorum sensing in the future to prevent bacterial infections by inhibiting their way of communicating.

Quorum sensing is the ability of bacteria to communicate with each other and thereby exhibit a form of multicellularity. Through this process they strategically express virulence factors such as biofilm, motility, toxins or bioluminescence, which enable them to infect their host in the most energy efficient way.

The general understanding is that the cell density of the bacteria leads to the activated genes resulting in the luminescent ability. This understanding was developed by studying the symbiosis relationship between the squid Euprymna scoloes and the bacterium Vibrio fisheri. The response itself is dependent on communication between the bacteria. It is done by chemical transmitters called autoinducers, which differ between gram-negative and grampositive bacteria based on the molecular structure of the autoinducer. The autoinducers gives the bacteria its species specificity when it comes to communication. Gram-negative bacteria use homoserine lactones, while gram-positive bacteria use peptides as autoinducers to start the gene activation. In addition, there is also communication between species, which is essential in biofilm formation. This communication takes place with the help of other types of autoinducers called furanosyl-borate esters.

Multi-resistant bacteria, due to decades of overuse of antibiotics used globally, has led to the importance of finding new ways in treating bacterial diseases. Quorum sensing inhibitors can act as an alternative to, or in combination with, conventional antibiotics to cure bacterial disease. For example, quorum sensing inhibition can be done by any of the following: using autoinducer receptor antagonists, inhibiting the autoinducer synthesis, inactivating or breaking down autoinducers, or by inhibiting autoinducer secretion which can be done by biological or synthetic methods.

There are some disagreements among researchers as to whether the development of resistance to quorum sensing inhibitors may occur. Some researchers believe that quorum sensing inhibitors will reduce the selective pressure for developing resistance since this mechanism does not affect the DNA and, thereby, not the growth of the actual bacteria. While other researchers believe that resistance to quorum sensing inhibitors is already an ongoing issue. Only a few clinical studies have been completed so far with varying results. However, there is no doubt that quorum sensing inhibitors can become an alternative way of treating bacterial disease in animals and plants in the future. But there is still a need for further research and a deeper understanding of how to use quorum sensing inhibitors safely with patients.