Il meccanismo che molte cellule batteriche della stessa specie utilizzano per comunicare tra di loro prende il nome di quorum sensing. Si tratta di un fenomeno osservato nella quasi totalità dei batteri, sia Gram-negativi sia Gram-positivi.
Comunicazione significa letteralmente “mettere in comune” e l’evoluzione ha conferito questa importante abilità anche ai batteri (e ad alcuni miceti), i quali hanno sviluppato nel tempo dei particolari meccanismi molecolari, basati sulla regolazione della trascrizione di specifiche molecole segnale in funzione della densità cellulare, al fine di coordinare le proprie azioni ed incrementare le proprie possibilità di sopravvivenza.
Il primo esempio di quorum sensing fu osservato nella seconda metà degli anni ’60 studiando il batterio luminescente Vibrio fischeri (dal 2007 riclassificato nel genere Aliivibrio), il quale è in grado di emettere luce in vitro solo quando la sua concentrazione supera una certa soglia (Fig. 1). Il vantaggio di questo meccanismo consiste in un risparmio energetico, assicurando ai batteri di diventare luminescenti solo quando sono presenti in gran numero, impedendo loro di sprecare energia quando la popolazione è troppo piccola per emettere un segnale visibile.
Il sistema alla base del quorum sensing è composto da due elementi chiave: il mediatore chimico o molecola segnale, rappresentata solitamente da un omoserina lattone acilato (AHL) per i batteri Gram-negativi e da un oligopeptide per i Gram-positivi, e l’attivatore trascrizionale. La molecola segnale è definita anche autoinduttore, il quale una volta captato da specifici ligandi presenti nel citoplasma o sulla membrana cellulare e, se presente in quantità pari o superiore ad un determinato valore soglia, si lega all’attivatore trascrizionale che, a sua volta, attiva o reprime una serie di geni determinando l’attivazione o lo spegnimento di vie metaboliche o processi cellulari specifici (Fig 2).
Il risultato di questa “comunicazione batterica” può essere rappresentato da un incremento della virulenza (es. Staphilococcus aureus), dalla formazione di un biofilm (es. Pseudomonas aeruginosa), dalla sporulazione, ecc.
Nel caso del Vibrio fischeri ad esempio, quando il batterio vive libero nel plancton l’autoinduttore AHL è a bassa concentrazione e non induce la bioluminescenza; quando invece il batterio si trova nell’organo luminoso del calamaro gigante la sua densità cellulare è elevata, per cui l’attivatore trascrizionale raggiunge il DNA, si lega alla sequenza di riconoscimento (LuxBox) e attiva la trascrizione dei geni per l’enzima luciferasi che produce la bioluminescenza.
Inoltre, è ormai noto che la maggior parte delle specie batteriche, quando le condizioni lo permettono, modificano il proprio comportamento per fondare vere e proprie “città microbiche” sotto forma di biofilm. Queste prevedono delle “mura di fortificazione”, costituite da una matrice tridimensionale di zuccheri polimerici, e dei “canali di navigazione” per il trasporto di nutrienti e cataboliti.
Si definisce biofilm l’insieme di cellule batteriche adese e inglobate in una matrice polisaccaridica adesiva secreta dalle cellule stesse (Fig. 3). La comunicazione tra cellule è fondamentale al fine del mantenimento del biofilm, il quale assolve a diverse funzioni come quella di difesa da dilavamento, fagocitosi e antibiotici; di nicchia per l’accumulo di nutrienti; di scambio di materiale genico e non; e di favoreggiamento della crescita soprattutto negli ambienti naturali.
In conclusione, quindi, la conoscenza dettagliata dei meccanismi molecolari del quorum sensing ed il controllo della formazione di biofilm batterici sono di fondamentale importanza sia nel settore sanitario, per la cura di patologie (fibrosi cistica, tubercolosi, ecc.), per il miglioramento degli antibiotici, per la sicurezza di dispositivi medici e protesi (es. cateteri, placche dentali), sia nel settore industriale, per impedire l’ostruzione e il deterioramento delle condutture degli impianti (es. acquedotti).