KUORUM SENSING

Peristiwa ini mula-mula diketahui melalui studi terhadap regulasi perpendaran pada spesies Vibrio yang terdapat di laut. Spesies ini mampu hidup dalam dua siklus hidup yang terpisah, sebagai bakteri yang hidup bebas di lautan atau sebagai bakteri komensal yang hidup bersama ikan dan cumi-cumi. Mereka tinggal dan menyediakan bagian yang berpendar pada organ ikan dan cumi-cumi.

Dalam suatu lingkungan yang sama, banyak prokariot bereaksi terhadap kehadiran sel-sel lain dari spesies mereka sendiri. Beberapa prokariot mempunyai sistem/jalur pengaturan (regulatory pathways) yang dikendalikan oleh kepadatan sel-sel mereka sendiri. Ini disebut sebagai kuorum sensing. Istilah “kuorum” mengacu kepada kecukupan jumlah mereka di dalam satu lingkungan.

Mekanisme Kuorum sensing

Kuorum sensing merupakan suatu mekanisme komunikasi antar sel untuk menilai kepadatan populasi. Banyak bakteri menggunakan cara ini untuk memastikan bahwa jumlah sel spesies tersebut sudah cukup banyak sebelum memulai aktivitas yang memerlukan kepadatan sel tertentu untuk bekerja secara lebih efektif. Sebagai contoh, toksin yang disekresikan oleh satu bakteri patogen tidak akan memiliki efek toksik. Toksin yang diproduksi sendirian tidak efisien sehingga hanya akan menimbulkan pemborosan. Namun, jika populasi bakteri patogen tersebut sudah cukup besar, ekspresi toksin yang terkoordinasi akan mempunyai tingkat keberhasilan yang tinggi untuk menyebabkan penyakit.

Kuorum sensing mengizinkan suatu sel bakteri untuk memonitor sel-sel sesama mereka di dalam satu lingkungan. Kuorum sensing bergantung pada pembagian dari molekul-molekul kecil yang spesifik yang dikenal sebagai autoinduser. Jika autoinduser hadir dalam konsentrasi yang cukup, maka akan memicu ekspresi gen spesifik.

Kuorum sensing banyak ditemukan pada bakteri gram negatif dan ditemukan juga pada bakteri gram positif. Masing-masing mengeluarkan molekul autoinduser spesifik. Molekul ini disekresikan dengan bebas ke lingkungannya dimana molekul ini akan bisa dikenali oleh sel bakteri tersebut. Kapan molekul autoinduser bisa dikenali oleh sel bakteri tersebut? Tentunya jika konsentrasi autoinduser di lingkungannya sudah tinggi. Konsentrasi tinggi autoinduser dalam suatu lingkungan akan tercapai jika dalam lingkungan tersebut terdapat sel-sel bakteri yang sama dimana masing-masing membuat autoinduser yang sama. Autoinduser yang sudah dikenali tersebut akan memicu transkripsi gen-gen spesifik.

Gambar 1. Mekanisme umum kuorum sensing pada bakteri. a) Pada kepadatan rendah, jumlah molekul autoinduser juga rendah sehingga kemungkinan dikenali juga rendah. Sel tidak merespon. b) Saat kepadatan tinggi, konsentrasi autoinduser juga tinggi sehinngga kemungkinan dikenali juga tinggi. Saat autoinduser dikenali, sel akan merespon dengan mengaktifkan gen-gen yang relevan. (Gambar dari: Dale JW, Park SF. 2010. Molecular Genetics of Bacteria, 5th ed. Wiley-Blackwell. West Sussex, UK.)

Mekanisme Kuorum Sensing Berdasarkan Cara Mengenali Autoinduser

Pada bakteri, diketahui 3 macam mekanisme pengenalan autoinduser, yaitu:

1. Autoinduser berdifusi ke dalam sel bakteri. Di dalam sel, autoinduser akan berikatan dengan reseptor protein spesifik. Gabungan antara autoinduser dengan reseptornya akan Mekanisme ini banyak ditemukan pada bakteri gram negatif. Contohnya adalah pada bakteri Pseudomonas aeruginosa.

Gambar 2. Kuorum sensing: sistem LuxI/LuxR. Pada banyak bakteri gram negatif, kuorum sensing dimediasi oleh suatu acyl homoserine lactone (AHL) yang dihasilkan oleh LuxI(AHL sintase). Lakton-lakton disekresikan secara bebas keluar sel dan dapat masuk ke dalam sel spesies yang sama yang akan berikatan dengan protein LuxR. LuxR merupakan suatu regulator transkripsi. LuxR yang berikatan dengan autoinduser ini menjadi aktif dan akan mengaktifasi gen target yang sesuai. (Gambar dari: Dale JW, Park SF. 2010. Molecular Genetics of Bacteria, 5th ed. Wiley-Blackwell. West Sussex, UK.)

2. Autoinduser berikatan dengan reseptor pada membran sel tanpa masuk ke dalam sel bakteri tersebut. Ditemukan pada bakteri gram positif, contohnya bakteri Staphylococcus aureus.

Gambar 3. Kuorum sensing pada bakteri gram positif. Kuorum sensing pada bakteri gram positif pada umumnya dimediasi oleh molekul oligopeptida sebagai autoinduser-nya. Molekul oligopeptida ini keluar sel melalui pengangkut peptida (peptide transporter) spesifik. Oligopeptida ini tidak masuk ke dalam sel, namun dikenali oleh suatu reseptor. Saat berikatan dengan molekul peptida, reseptor akan terposforilasi. Ini akan mengakibatkan molekul response regulator ikut terposforilasi. Molekul response regulator yang terposforilasi ini akan mengaktifkan gen target yang sesuai. (Gambar dari: Dale JW, Park SF. 2010. Molecular Genetics of Bacteria, 5th ed. Wiley-Blackwell. West Sussex, UK.)

3. Gabungan antara no.1. dan 2. Ada autoinduser yang diproduksi untuk masuk ke dalam sel dan ada autoinduser lain yang diproduksi untuk berikatan dengan reseptor di membran sel. Contohnya adalah pada bakteri gram negatif Vibrio harveyi.

Gambar 4. Kuorum sensing pada bakteri V. harveyi. Dua molekul autoinduser, AI-1 dan AI-2, dihasilkan. Pada kepadatan sel yang rendah, dua sistem komponen transduksi sinyal yang terdiri dari sinyal kinase LuxPQ dan LuxN menginisiasi suatu phosphorelay yang menghambat ekspresi LuxR. Tanpa adanya LuxR, gen-gen untuk bioluminscence (luciferase) menjadi terhambat tetapi gen-gen untuk sistem sekresi tipe III terus aktif. Pada kepadatan sel yang tinggi, LuxPQ dan LuxN berfungsi sebagai fosfatase yang membalikkan aliran posfat. Hal ini mengakibatkan pengaktifan LuxR. LuxR kemudian akan mengaktifkan gen-gen untuk bioluminscence (luciferase) dan menghambat ekspresi gen-gen sistem sekresi tipe III. (Gambar dari: Willey JM, Sherwood LM, dan Woolverton CJ. 2008. Microbiology 7th ed. McGraw-Hill. New York, USA.)

Kuorum sensing juga terdapat pada mikroba eukariot. Contohnya adalah pada yeast Saccharomyces cerevisiae, alkohol aromatik spesifik dihasilkan sebagai autoinduser dan mengendalikan transisi antara pertumbuhan dari S.cerevisiae sebagai sel tunggal dan sebagai filamen. Transisi-transisi yang serupa juga diketahui pada jenis fungi yang lain. Candida, fungi penyebab panu, diketahui bahwa kuorum sensingnya dimediasi oleh alkohol farnesol rantai panjang.

Beberapa eukariot menghasilkan molekul-molekul yang mengganggu kuorum sensing bakteri. Molekul tersebut diketahui sebagai derivat furanon dengan tambahan halogen. Molekul ini meniru AHL atau AI-2 dan mengganggu perilaku bakteri yang mengandalkan kuorum sensing. Penghambat kuorum sensing ini kedepannya bisa diaplikasikan untuk menghambat ekspresi gen virulen suatu bakteri.

Referensi:

Dale JW, Park SF. 2010. Molecular Genetics of Bacteria, 5th ed. Wiley-Blackwell. West Sussex, UK.

Madigan MT, Martinko JM, Stahl DA, dan Clark DP. 2012. Brock Biology of Microorganisms, 13th ed. Pearson Education. San Francisco, USA.

Willey JM, Sherwood LM, dan Woolverton CJ. 2008. Microbiology 7th ed. McGraw-Hill. New York, USA.