Bakteriler ve İletişim

Canlılar doğar, büyür ve ölürler. Bu yaşam sürecinde çevreleriyle ve diğer canlılarla iletişim halindedirler. Uzun yıllardır dünyada olan bakterilerin tek başına yaşayan, herhangi bir iletişimde bulunmayan ve sadece yaptıkları şeyin beslenip, büyüyüp, bölünmek ve bizi  hasta etmek olduğunu düşündük. Fakat günümüzde yapılan bir çok deneyde bunun doğru olmadığını kanıtlayan  güzel sonuçlar var.

Figür 1: Bir bakteri ve organelleri
Figür 1: Bir bakteri ve organelleri

Öncelikle bakteriler ile tanışalım. Bakteriler yaşamak için sahip oldukları özelliklerini tek bir DNA parçasına saklamışlar yani kendileri için kodladıkları çok az gene sahiptirler. Ayrıca hücre duvarı, kapsül ve hücre zarından oluşmuş çeperleri, ribozom ve mezozomu, hareket etmeleri için kullandıkları flagelleri bulunur. Sahip oldukları zarla çevrili organelleri veya çekirdekleri bulunmayan, tek hücreli, mikroskobik canlılardır. Peki bu prokaryotik canlı nasıl oluyor da iletişim kurabiliyor?

 

Figür 2: Quorum Sensing
Figür 2: Quorum Sensing

Bunun hakkındaki bilgi moleküler biyolog Bonnie Bassler'ın yapmış olduğu çalışmalar sonucunda ortaya çıktı.1 Yapılan çalışmada Vibrio fisheri adında bir deniz bakterisi incelendi. Vibrio fischeri, tıpkı ateşböcekleri gibi, biyoluminesans yapma, yani ışık üretebilme yeteneğine sahiptir. Biyoluminesans, lusiferin adındaki bir pigmentin, lusiferaz adındaki bir enzim tarafından oksitlenmesi sonucu ışığın açığa çıkmasını sağlayan kimyasal bir reaksiyondur. Bakteriler arasındaki iletişimi açıklayan ilk mekanizma Vibrio fischeri'nin yaptığı biyoluminesanstır.

Figür 3: Quorum Sensing
Figür 3: Quorum Sensing

Araştırmalar gösteriyor ki Vibrio fisheri ortamda yalnızken hiç ışık üretmiyor. Yaptığı şey, küçük moleküller (kırmızı üçgenler) salgılamak. Bakteri yalnızken, bu moleküller serbestçe yüzüyor ve  ışık oluşmuyor. Ancak bakteriler bölündüklerinde ve hep beraber bu molekülü üretmeye başladıklarında, bu molekülün miktarı hücre sayısına bağlı olarak artıyor. Molekül miktarı, bakterilere kaç tane komşuları olduğunu söyleyebilecek bir seviyeye ulaştığında, bu molekülü tanıyorlar ve hep beraber ışık üretmeye başlıyorlar. Bakteriler, bu kimyasal sözcüklerle konuşuyorlar.

squid2
Figür 4: Mürekkep balığı

Vibrio fischeri, Euprymna scolopes adında küçük bir mürekkep balığının içinde yaşıyor. Mürekkep balığının buna izin vermesinin sebebi, bu bakterilerin ürettiği ışığa ihtiyaç duymasıdır. İkisi arasındaki ortak yaşamı Bonnie Bassler şu şekilde özetliyor: Bu küçük mürekkep balığı, Hawai sahilinin çok yakınında, dizimizi geçmeyecek sığlıkta bir suda yaşıyor. Mürekkep balığı noktürnal olduğundan yani yalnızca geceleri avlandığından, gündüzleri kendisini kumun içine gizliyor ve uykuya yatıyor. Mürekkep balığı oldukça sığ bir suda yaşadığından, parlak gecelerde Ay'ın veya yıldızların ışığı bu sığ sudan geçerek mürekkep balığına ulaşabiliyor. Mürekkep balığı, bir çeşit kepenk geliştirmiş. Böylece bakterilerin yaşadığı o özel ışık organının üzerini açıp kapayabiliyor. Ayrıca sırtında da detektörler var. Bu sayede sırtına ne kadar ayışığı vurduğunu anlayabiliyor.

main-qimg-32ec9969de0f428c62431aab1edb337e-c
Figür 5: Petri kabında biyolüminenas yapan bakteriler

Bu kepengi açıp kapayarak ön tarafında bulunan bakterilerin ürettiği ışığın şiddeti ile sırtına vuran ışığın şiddetini birbirine eşitliyor ki gölge oluşmasın. Yani mürekkep balığı, bakterilerden gelen ışığı kendisinin açığa çıkmasını engelleyen bir korunma mekanizmasında kullanıyor. Böylece avcılar mürekkep balığının gölgesini göremiyor ve gölgenin geldiği yere bakarak mürekkep balığını yakalayamıyor. Ancak, mürekkep balığının şöyle bir problemi var: Ölmekte olan ve yoğun bir bakteri kültürü onun üzerinde yaşıyor, mürekkep balığı sürekli olarak bu durumda kalamaz. Bu nedenle her sabah güneş doğduğunda, kendisini kuma gömerek uykuya dalıyor ve sirkadiyen (günlük) ritmine bağlı olan bir pompayı kullanarak bakterilerin yaklaşık yüzde 95'ini dışarı atıyor. Böylece bakteriler seyreltik haline geliyor. Yani o küçük hormon molekülü yok oluyor ve ışık üretemiyorlar. Gün içinde geriye kalan bakteriler bölünerek molekülü serbest bırakıyorlar ve geceleri, yani mürekkep balığının ihtiyacı olduğunda ışık geri geliyor.

Yapılan diğer araştırmalarda bu sistemin sadece karanlıkta ışık üreten bakterilerin değil, diğer bakterilerin de buna benzer sistemler geliştirdikleri keşfedildi. Yani bakteriler birbirleriyle konuşabiliyorlar. Küçük kimyasallar salgılıyorlar, bunları algılıyorlar ve belli bir çoğunluğa ulaştıklarında tüm bakteriler ortak davranış sergiliyorlar. Bu olaya "Quorum sensing" (çoğunluk algılama) deniyor. Aslında bu olay bize vücudumuzda bakterilerin var olmasına rağmen, neden bazı zamanlarda hasta olduğumuzu açıklıyor. Bizi hasta yapabilecek uygun bir ortam bulduğunda çoğalmaya başlıyorlar, moleküller üretiyor ve  yeterli seviyeye geldikleri anda hep beraber zehir salgılayıp bizi hasta ediyorlar.

Bu keşfin bize çok önemli getirileri var. Bakterilerde tür içi ve türler arası iletişime engel olan doğal ve sentetik stratejiler geliştirilerek, bakteriyel hastalıklar için yeni tedavi şekilleri ortaya çıkarılabilir. Elde edilen bilgilerle patojenlerin virulansını (zehirini) azaltan quorum sensing inhibitörleri tasarlanabilir ve tedavi etmedeki yetenekleri ölçülebilir.

Melike Karataş

Referanslar
1. Bonnie Bassler, How Bacteria "Talk", TED
<https://www.ted.com/talks/bonnie_bassler_on_how_bacteria_communicate>

2. Mikrobiyoloji.org, Bakterilerde Sosyal Davranışlar
<http://www.mikrobiyoloji.org/pdf/702040503.pdf>
3. Waters & Bassler, Quorum Sensing: Cell-to-Cell Communication in Bacteria
<http://www.uib.cat/depart/dba/microbiologia/seminarios_old/QS%20Basler2005_comunication.pdf>

Görsel: <https://tr.wikipedia.org/wiki/Bakteri#/media/File:Prokaryote_cell_diagram_tr.svg>