99 Frumusamskipti

9.4 Boðskipti í einfrumungum

Námsmarkmið

Í lok þessa hluta munt þú geta gert eftirfarandi:

Lýst hvernig einfruma gersveppir nota frumuboðskipti til að eiga samskipti sín á milli
Tengt hlutverk samorumskynjunar (quorum sensing) við getu sumra baktería til að mynda lífhimnur

Innanfrumuboðskipti gera bakteríum kleift að bregðast við umhverfisvísbendingum, svo sem styrk næringarefna. Sumir einfrumungar losa einnig sameindir til að senda boð sín á milli.

Boðskipti í gersveppum

Gersveppir eru heilkjörnungar (sveppir) og þættirnir og ferlin sem koma við sögu í boðskiptum gersveppa eru svipuð þeim sem finnast í boðskiptum frumuyfirborðsviðtaka í fjölfrumungum. Knappskotssveppir (Mynd 9.16) geta tekið þátt í ferli sem líkist kynæxlun og felur í sér að tvær einlitna frumur, frumur með helming venjulegs litningafjölda, sameinast og mynda tvílitna frumu, frumu með tvö sett af hverjum litningi eins og venjulegar líkamsfrumur hafa. Til að finna aðra einlitna gersveppsfrumu sem er tilbúin til pörunar seyta knappskotssveppir boðsameind sem kallast pörunarþáttur. Þegar pörunarþáttur binst frumuyfirborðsviðtökum á nálægum gersveppsfrumum stöðva þær eðlilegan vaxtarhring sinn og hefja frumuboðfallsröð sem felur í sér próteinkínasa og GTP-bindiprótein sem líkjast G-próteinum.

The photo shows yeast cells, some of which have buds protruding from them. — **Mynd 9.16.** Knappskotssveppafrumur af tegundinni *Saccharomyces cerevisiae* geta átt samskipti með því að losa boðsameind sem kallast pörunarþáttur. Á þessari smásjármynd sjást þær með mismunatruflunarsmásjá, ljóssmásjártækni sem eykur birtuskil sýnisins.

Boðskipti í bakteríum

Boðskipti í bakteríum gera þeim kleift að fylgjast með aðstæðum utan frumunnar, tryggja að næg næringarefni séu til staðar og forðast hættulegar aðstæður. Við ákveðnar aðstæður eiga bakteríur þó samskipti sín á milli.

Fyrstu vísbendingar um samskipti baktería sáust í bakteríu sem lifir í samlífi við hawaiískan stutthalasmokkfisk. Þegar þéttleiki bakteríustofnsins nær ákveðnu stigi hefst tjáning tiltekinna gena og bakteríurnar framleiða lífljómandi prótein sem gefa frá sér ljós. Þar sem fjöldi frumna í umhverfinu, frumuþéttleiki, ræður boðskiptunum voru þessi bakteríuboðskipti nefnd samorumskynjun (quorum sensing). Í stjórnmálum og viðskiptum er quorum lágmarksfjöldi meðlima sem þarf að vera viðstaddur til að greiða atkvæði um mál.

Samorumskynjun notar sjálfvirkjandi efni (autoinducers) sem boðsameindir. Sjálfvirkjandi efni eru boðsameindir sem bakteríur seyta til að eiga samskipti við aðrar bakteríur af sömu gerð. Seyttu sjálfvirkjandi efnin geta verið litlar, vatnsfælnar sameindir, svo sem asýl-hómóserínlaktón (AHL), eða stærri peptíðbundnar sameindir; hver sameindagerð hefur ólíkan verkunarmáta. Þegar AHL fer inn í markbakteríur binst það umritunarþáttum, sem kveikja eða slökkva á genatjáningu. Þegar bakteríunum fjölgar eykst einnig styrkur sjálfvirkjandi efnisins, sem hrindir af stað aukinni tjáningu tiltekinna gena, þar á meðal gena fyrir sjálfvirkjandi efni, og leiðir til sjálfmagnandi hringrásar sem einnig kallast jákvæð afturverkun (Mynd 9.17). Sjálfvirkjandi peptíðefni örva flóknari boðferli sem fela í sér bakteríukínasa. Breytingar í bakteríum eftir útsetningu fyrir sjálfvirkjandi efnum geta verið mjög umfangsmiklar. Sjúkdómsvaldandi bakterían Pseudomonas aeruginosa hefur 616 mismunandi gen sem bregðast við sjálfvirkjandi efnum.

Sumar bakteríutegundir sem nota samorumskynjun mynda lífhimnur, flóknar bakteríunýlendur, oft með nokkrum tegundum, sem skiptast á efnaboðum til að samhæfa losun eiturefna sem ráðast á hýsilinn. Bakteríulífhimnur (Mynd 9.18) geta stundum fundist á lækningatækjum; þegar lífhimnur berast inn í ígræði, svo sem gervimjaðmir, gervihné eða gangráða, geta þær valdið lífshættulegum sýkingum.

Myndræn tenging

The left part of this illustration shows a single bacterial cell. The cell produces autoinducers, which diffuse away from the cell and cannot bind the intracellular receptor. The right part of this illustration shows many bacterial cells. More autoinducers are present, which bind receptors that in turn bind DNA and regulate the expression of certain genes. Autoinducer gene expression is turned on, resulting in a positive-feedback loop. — **Mynd 9.17.** Sjálfvirkjandi efni eru litlar sameindir eða prótein sem bakteríur framleiða og sem stjórna genatjáningu.

Hver eftirfarandi fullyrðinga um samorumskynjun er röng?

Sjálfvirkjandi efni verður að bindast viðtaka til að kveikja á umritun gena sem bera ábyrgð á framleiðslu meiri sjálfvirkjandi efni.
Viðtakinn helst í bakteríufrumunni, en sjálfvirkjandi efnið flæðir út.
Sjálfvirkjandi efni getur aðeins verkað á aðra frumu: hann getur ekki verkað á frumuna sem hann er myndaður í.
Sjálfvirkjandi efni kveikir á genum sem gera bakteríunni kleift að mynda lífhimnu.

Myndræn tenging

Part a: This electron micrograph shows a film of bacteria. Part b: This photo shows a Hawaiian bobtail squid. — **Mynd 9.18.** Samskipti milli frumna gera þessum (a) *Staphylococcus aureus*-bakteríum kleift að vinna saman að myndun lífhimnu inni í þvaglegg sjúklings á sjúkrahúsi, séð hér með skönnunarrafeindasmásjá. *S. aureus* er ein helsta orsök spítalasýkinga. (b) Hawaiískir stutthalasmokkfiskar lifa í samlífi við lífljómandi bakteríuna *Vibrio fischeri*. Ljómunin gerir erfiðara að sjá smokkfiskinn neðan frá því hún eyðir í raun skugga hans. Í stað felulita sér smokkfiskurinn bakteríunum fyrir fæðu. Frílifandi *V. fischeri* framleiða ekki lúsíferasa, ensímið sem ber ábyrgð á ljómun, en *V. fischeri* sem lifa í samlífi við smokkfiskinn gera það. Samorumskynjun ákvarðar hvort bakteríurnar framleiða lúsíferasa. Heimild a: breytt eftir verk CDC/Janice Carr; heimild b: breytt eftir verk Cliff1066/Flickr.

Hvaða forskot gæti myndun lífhimnu veitt S. aureus inni í þvagleggnum?

Rannsóknir á smáatriðum samorumskynjunar hafa leitt til framfara í ræktun baktería í iðnaðartilgangi. Nýlegar uppgötvanir benda til þess að hægt sé að nýta boðferli baktería til að stjórna bakteríuvexti; þetta ferli gæti komið í stað sýklalyfja, eða bætt þau, þegar þau eru ekki lengur áhrifarík við ákveðnar aðstæður.

Tengill á námsefni

Horfðu á erfðafræðinginn Bonnie Bassler ræða uppgötvun sína á samorumskynjun í lífhimnubakteríum í smokkfiski.

Þróunarfræðileg tenging

Frumuboðskipti í gersveppum

Fyrstu frumulífsformin á jörðinni voru líklega einfruma dreifkjörnungar sem höfðu takmörkuð samskipti sín á milli. Þótt einhver ytri boðskipti eigi sér stað milli mismunandi tegunda einfrumunga varða flest boðskipti baktería og gersveppa aðeins aðra einstaklinga sömu tegundar. Þróun frumuboðskipta er alger forsenda þróunar fjölfrumunga og talið er að þessi nýjung hafi tekið um 2 milljarða ára að birtast í fyrstu lífsformum.

Gersveppir eru einfruma heilkjörnungar og hafa því kjarna og frumulíffæri sem einkenna flóknari lífsform. Samanburður á erfðamengjum gersveppa, þráðorma, ávaxtaflugna og manna sýnir þróun sífellt flóknari boðkerfa sem gera skilvirka innri starfsemi mögulega og halda mönnum og öðrum flóknum lífsformum starfandi á réttan hátt.

Kínasar eru mikilvægur þáttur í frumuboðskiptum og rannsóknir á þessum ensímum sýna þróunarfræðileg tengsl mismunandi tegunda. Gersveppir hafa 130 gerðir kínasa. Flóknari lífverur, svo sem þráðormar og ávaxtaflugur, hafa 454 og 239 kínasa, í þeirri röð. Af 130 gerðum kínasa í gersveppum tilheyra 97 þeim 55 undirflokkum kínasa sem finnast í öðrum heilkjörnungum. Eini augljósi skorturinn í gersveppum er algjör fjarvera týrósínkínasa. Tilgátan er sú að fosfórun týrósínleifa sé nauðsynleg til að stjórna flóknari ferlum þroskunar, sérhæfingar og frumuboðskipta í fjölfrumungum.

Vegna þess að gersveppir innihalda marga af sömu flokkum boðpróteina og menn eru þeir tilvaldir til rannsókna á boðfallsröðum. Gersveppir fjölga sér hratt og eru mun einfaldari lífverur en menn eða önnur fjölfruma dýr. Þess vegna eru boðfallsraðir þeirra einnig einfaldari og auðveldari í rannsóknum, þótt þær innihaldi hliðstæður við boðskipti manna.

Tengill á námsefni

Horfðu á þetta safn viðtalsbrota við lífhimnurannsakendur í „Hvað eru bakteríulífhimnur?“