quorum sensing

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16 • C I Ê N C I A H O J E • vol . 3 3 • nº 19 3
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A LINGUAGEM 
Ao contrário do que se pensava
há alguns anos, bactérias são seres
complexos e capazes de se comunicar
e agir coordenadamente.
Há poucas décadas, cientistas
descobriram que diversas espécies
de bactérias produzem moléculas,
chamadas de auto-indutores,
com as quais se comunicam entre si
e com outros tipos de células.
Esse sistema de comunicação,
denominado quorum sensing,
é também utilizado para regular
algumas características
bacterianas, desde as ligadas
à sobrevivência até as
determinantes de patogenicidade
(capacidade de causar doença).
Cientistas já imaginam
a possibilidade de interferir nesse
processo de comunicação e regulação
e, dessa forma, manipular
a expressão de genes bacterianos,
o que, além de ampliar
a compreensão do comportamento
das bactérias, permitiria desenvolver
terapias e medicamentos
contra inúmeras doenças.
Luis Caetano Martha Antunes
Departamento de Microbiologia,
Universidade de Iowa (Estados Unidos)
luiscaetano-antunes@uiowa.edu
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A bactéria Pseudomonas
aeruginosa utiliza mecanismos
de quorum sensing
para só expressar fatores
de virulência quando
sua população no hospedeiro
(o homem, por exemplo)
atinge determinada densidade
A bactéria Pseudomonas
aeruginosa utiliza mecanismos
de quorum sensing
para só expressar fatores
de virulência quando
sua população no hospedeiro
(o homem, por exemplo)
atinge determinada densidade
A LINGUAGEM 
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DAS BACTÉRIAS
Até o final dos anos 60 acreditava-se que as bactérias não passa-
vam de células individuais, que apenas buscavam
nutrientes e se multiplicavam. Nas últimas déca-
das, porém, diversos estudos mostraram que esses
microrganismos podem se comunicar, tanto entre
si quanto com células eucarióticas (as que têm nú-
cleo definido), como as do corpo humano. Verificou-
se ainda que, além de emitir e receber sinais, bac-
térias também os empregam para agir em grupo e em
benefício próprio com certa eficácia.
Esse fenômeno surpreendente foi descoberto em
bactérias luminescentes que vivem em órgãos lumi-
nosos e intestinos de lulas, peixes e outros animais
marinhos. Nos anos 50, cientistas notaram que a água
do mar de praticamente qualquer parte da Terra
continha bactérias que, quando cultivadas, tinham
a capacidade de emitir luz. O fenômeno chamou a
atenção de diversos grupos de pesquisa na época e
levou ao surgimento de mais uma área da bioquími-
ca, o estudo da bioluminescência.
Após anos de estudo no campo, pesquisadores
notaram, no início dos anos 70, não só que essas
bactérias eram capazes de produzir luz, mas tam-
bém que isso só ocorria após um número grande de
bactérias ter se acumulado em determinado ambien-
te. Em situações onde poucas bactérias eram encon-
tradas, nenhuma luz era detectada. De acordo com
essa observação estava o achado de que essas bacté-
rias, da espécie Vibrio fischeri, produziam luz no
interior dos órgãos luminosos da espécie de lula
Euprymna scolopes (figura 1), onde altas concentra-
ções celulares podem ocorrer, mas não o faziam
quando se encontravam livres na água do mar, onde
não atingiam concentrações elevadas.
Esse fenômeno é um exemplo de relação simbiótica
onde as duas partes se beneficiam e um mecanismo
de sobrevivência importante para ambas as espécies.
As águas habitadas por esses organismos são geral-
mente rasas e, à noite, a Lua é a única fonte de luz
disponível. Por isso, os predadores podem detectar
com facilidade as sombras de suas presas (a lula, no
caso) se movimentando à frente da luz da Lua. No
entanto, a produção de luz no órgão luminoso da lula
mascara sua sombra, diante da luz da Lua, o que
confunde seus predadores, evitando que seja atacada.
Ajudando seu hospedeiro a sobreviver, as bactérias
luminescentes garantem abrigo e um ambiente farto
em nutrientes. Já quando estão dispersas no mar, a
produção de luz seria um gasto desnecessário de
energia, pois não traria qualquer vantagem.
Quando essas bactérias dispersas na água encon-
tram algum volume de matéria orgânica em decom-
posição (um peixe morto, por exemplo), depositam-
se sobre sua superfície e se multiplicam, logo alcan-
çando uma densidade que aciona a emissão de luz.
Com isso, elas atraem peixes ou outros animais, que,
ao comerem o material orgânico, também as inge-
rem, dando a elas mais uma vez um lugar cômodo
para viver e reiniciando o ciclo.
O fenômeno da regulação da produção de luz em
bactérias marinhas representa um exemplo de como
a evolução agiu de maneira a produzir relações
simbióticas extremamente estáveis entre as mais
diversas espécies de organismos. A identificação
desse fenômeno trouxe inúmeras perguntas, tornan-
do necessário investigar como tal comunicação ocor-
re, que características bacterianas são reguladas por
Figura 1. O fenômeno da produção
de luminescência dependente da densidade
populacional da bactéria Vibrio fischeri foi descoberto
em estudos com a lula Euprymna scolopes
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esse sistema e qual é objetivo desse mecanismo, entre
outros pontos, na tentativa de se esclarecer melhor
sua importância biológica.
DESCOBERTA A LINGUAGEM
DAS BACTÉRIAS
Depois de muitos anos de estudos, as respostas para
algumas das perguntas referentes à regulação gênica
dependente de densidade populacional começaram
a surgir. Mostrou-se que a comunicação intercelular
bacteriana é realizada através da produção e libera-
ção no meio externo de pequenas moléculas, cha-
madas de ‘auto-indutores’ e, em 1994, esse fenôme-
no recebeu o nome de quorum sensing (do inglês,
‘sentir o quorum’). Esse termo foi cunhado porque a
ativação do fenômeno depende de uma densidade
populacional (quorum) elevada.
Quando as bactérias estão presentes em pequena
quantidade em um ambiente, a concentração de
auto-indutores é muito baixa para ser detectada.
Entretanto, assim que um número maior de células
é alcançado, essa concentração atinge um certo ‘li-
mite’, fazendo com que as bactérias ali presentes
‘sintam’ essas moléculas (figura 2) e ativem ou re-
primam genes específicos. Essa alteração de com-
portamento de acordo com a densidade populacio-
nal faz com que os genes expressos em uma situação
de baixa concentração celular sejam diferentes dos
que serão expressos quando for alcançado um nú-
mero maior de indivíduos, de acordo com o interes-
se fisiológico da bactéria em cada um desses mo-
mentos.
Muitas moléculas diferentes já foram descritas
como auto-indutores. Alguns dos principais exem-
plos são (i) as acil-homoserina-lactonas (AHLs), mo-
léculas também chamadas de ‘auto-indutor 1’ (figura
3); (ii) moléculas agrupadas sob o nome de ‘auto-
indutor 2’, de estrutura em geral ainda desconheci-
da, sabendo-se apenas que não são AHLs; e (iii)
pequenos peptídios (pequenos pedaços de proteínas)
modificados.
O sistema de sinalização através de auto-indutores
baseia-se na ligação dessas moléculas, quando em
concentrações elevadas, a moléculas sensoras pre-
sentes na superfície ou no interior das bactérias.
Essas moléculas sensoras, chamadas em geral de
‘proteínas R’, atuam como reguladores transcricionais,
ou seja, regulam a expressão de genes específicos,
direta ou indiretamente.Cada uma dessas proteínas
R responde a um auto-indutor específico e em geral
só é bem ativada quando estimulada por essa molé-
cula (figura 4). Auto-indutores inespecíficos, embo-
ra capazes de se ligar às proteínas R, não provocam
ativação ou provocam uma ativação mais fraca.
CONTROLE DA EXPRESSÃO
DE DIVERSOS GENES
Sabe-se hoje, após muitas pesquisas, que diversas
outras características das bactérias, além da produ-
ção de luz, são controladas por sistemas de quorum
sensing. Isso inclui desde as características relacio-
nadas com a defesa desses microrganismos (como a
própria luminescência), até as essencialmente ofen-
sivas ao hospedeiro (como a liberação de toxinas e
enzimas capazes de provocar doenças).
Podem ser citadas, entre as características regula-
das por quorum sensing, a expressão de enzimas e
antibióticos em Erwinia carotovora, a produção de
pigmento em Chromobacterium violaceum e de
luminescência em Vibrio harveyi e Vibrio fischeri, a
produção de fatores de virulência (agressão ao hospe-
deiro) em Pseudomonas aeruginosa, a competência
(capacidade de receber DNA de outras bactérias) em
Bacillus subtilis, a conjugação (transferência de genes
entre duas bactérias através de contato) em Agrobac-
terium tumefaciens e Enterococcus faecalis, e a ex-
pressão de toxinas em Staphylococcus aureus.
Uma bactéria na qual o papel do quorum sensing
na regulação de genes é bastante compreendido é
a P. aeruginosa. Embora essa bactéria tenha um
grande número de fatores de virulência, muitos não
são expressos constantemente, sendo sua expres-
são dependente da densidade celular. Essa espécie
bacteriana apresenta dois sistemas principais de
Figura 2. Princípio de funcionamento do quorum
sensing: se há poucas bactérias em um ambiente (A),
a concentração de auto-indutores, muito baixa,
não é detectada, mas assim que a densidade
populacional aumenta (B), essa concentração
atinge um certo ‘limite’ e tais moléculas
são ‘sentidas’ pelas bactérias presentes
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quorum sensing, cada um deles composto por dois
genes principais que codificam uma enzima respon-
sável pela síntese do auto-indutor (no caso uma AHL)
e uma proteína R, que responde ao auto-indutor.
Os complexos formados por auto-indutores e pro-
teínas R desses dois sistemas controlam a expressão
de genes necessários para a produção de enzimas,
toxinas e produtos metabólicos secundários, como
pigmentos.
Além dessas características, os sistemas de quorum
sensing presentes em P. aeruginosa regulam a for-
mação de biofilmes, um tipo de comunidade organi-
zada de bactérias mais resistente ao sistema imuno-
lógico e a antibióticos. Muitas das características
citadas, além de outras, são extremamente impor-
tantes para a patogenicidade desse microrganismo.
IMPORTÂNCIA BIOLÓGICA
DO QUORUM SENSING
Tem sido demonstrado que a presença de sistemas de
regulação temporal de genes em bactérias gera mui-
tas vantagens para esses microrganismos. Sistemas
de quorum sensing parecem regular a expressão de
dois grupos principais de moléculas microbianas:
moléculas de superfície e moléculas extracelulares.
Graças a esse sistema de regulação gênica, nos
estágios iniciais de uma infecção bacteriana, são
expressas preferencialmente as moléculas de super-
fície, responsáveis pelo importante processo de ade-
são e menos sensíveis à detecção pelo sistema imune
(por não se espalharem pelo organismo). Nesse mes-
mo momento, as moléculas extracelulares, mais im-
portantes em etapas posteriores da infecção e mais
facilmente detectadas pelo sistema imune (já que
se espalham no corpo através da corrente sangüí-
nea) são pouco expressas. Após o aumento do número
de bactérias no processo infeccioso e, conseqüente-
mente, o acúmulo de auto-indutores, o sistema de
quorum sensing é acionado e a expressão de molé-
culas de superfície é diminuída e as moléculas ex-
tracelulares são preferencialmente expressas. As-
sim, tem sido postulado que os sistemas de quorum
sensing teriam como objetivo evitar a expressão pre-
matura de fatores de virulência em bactérias.
Sabe-se hoje que, para que um processo infeccioso
seja detectado pelo sistema imunológico, é necessá-
ria a presença no organismo de um número razoável
de bactérias e de seus produtos. Além disso, quanto
mais cedo um processo infeccioso é detectado, mais
fácil e rápida será sua eliminação. Dessa forma,
bactérias capazes de controlar sua expressão gênica
e evitar a expressão precoce de seus fatores de viru-
lência poderiam adiar o reconhecimento do processo
infeccioso até que um número maior de bactérias
esteja presente no organismo e, dessa forma, possa
vencer a batalha com o sistema imune. Basicamente,
a principal vantagem do uso de sistemas de quorum
sensing por bactérias na regulação gênica seria a
expressão de cada grupo de genes no momento mais
benéfico para tais microrganismos. �
Figura 3. Estrutura geral de uma molécula
de acil-homoserina-lactona (AHL) – o radical ‘X’
pode ser oxigênio (O) ou enxofre (S) e o radical ‘R’
é uma cadeia acil lateral
Figura 4. No quorum sensing, os auto-indutores,
quando em concentração elevada,
ligam-se a moléculas sensoras das bactérias
(chamadas em geral de ‘proteínas R’), que atuam
como reguladores da expressão de genes específicos
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ALVOS ATRAENTES
PARA NOVAS TERAPIAS
A descoberta de que diversos microrganismos utili-
zam quorum sensing para controlar sua virulência
revelou um alvo atraente para o desenvolvimento de
novas terapias antimicrobianas. Além disso, esse
campo de estudo abre enormes possibilidades de
manejo de diferentes características microbianas
em benefício do homem.
O uso de sistemas de quorum sensing como alvo
para terapia antibacteriana poderia ocorrer de diver-
sas formas. Uma delas consistiria em bloquear a
comunicação bacteriana através de auto-indutores,
com o objetivo de impedir que as bactérias expres-
sem seus fatores de virulência tornando-se, conse-
qüentemente, inofensivas. Isso poderia ser obtido de
diferentes formas, como (1) utilizando auto-indutores
inespecíficos, que se ligariam à proteína R mas não
a ativariam, e portanto impediriam a ligação de tais
proteínas aos auto-indutores específicos; e (2) inter-
rompendo as reações biológicas de síntese de auto-
indutores através do uso de análogos de precursores
dessas moléculas (figura 5).
Essa intervenção em mecanismos bacterianos de
quorum sensing poderia levar à descoberta de novas
drogas capazes de combater microrganismos que
têm demonstrado resistência aos antibióticos conhe-
cidos. Parece ainda possível que o bloqueio desse
sistema de comunicação celular seja usado para
impedir a formação de biofilmes bacterianos, tor-
nando as bactérias mais sensíveis a drogas e ao
próprio sistema imunológico humano.
Além de sua importância clínica, a utilização de
intervenções nos sistemas de quorum sensing para
o controle de microrganismos também seria de gran-
de valia na agricultura. Muitas bactérias associadas
a plantas apresentam sistemas de quorum sensing
como parte de seus estilos de vida, sejam eles sim-
bióticos ou patogênicos. Tem sido demonstrado que
a introdução de genes responsáveis pela síntese de
auto-indutores em plantas seria uma maneira efi-
caz de estimular bactérias associadas a esses vege-
tais a produzir antibióticos ou fixar nitrogênio. Tais
atividadesevitariam que essas plantas fossem ata-
cadas por bactérias patogênicas, e promoveriam
seu crescimento através da fixação de nitrogênio,
fenômeno biológico tão importante.
Os auto-indutores produzidos por plantas pode-
riam também ativar os sistemas de quorum sensing
de bactérias causadoras de doenças. Com isso, se-
ria estimulada a produção precoce de fatores de vi-
rulência por essas bactérias, permitindo que o siste-
ma de defesa das plantas reconheça e elimine mais
facilmente a infecção. Outra possibilidade de uso do
quorum sensing na agricultura seria a introdução de
genes codificadores de enzimas que degradam auto-
indutores em plantas, protegendo-as de infecções
causadas por patógenos como E. carotovora.
Sistemas de quorum sensing já foram identifica-
dos em mais de 30 espécies de bactérias e, ao que tudo
indica, o número de bactérias que utilizam tal fenô-
meno para regular seus genes é provavelmente muito
maior do que o conhecido hoje. Além disso, seres que
há pouco nos pareciam tão simples e inferiores têm
se mostrado mais complexos e sofisticados à medida
que surgem resultados de novas pesquisas.
Embora a descoberta da capacidade bacteriana de
se comunicar e agir de modo coordenado seja incon-
testável, também parece claro que os dados obtidos
a respeito do assunto, até hoje, representam apenas
uma parcela mínima de tudo o que ainda está por ser
descoberto. Dessa forma, o estudo do quorum sensing
representa não só uma possibilidade magnífica para
o conhecimento mais aprofundado de organismos
com os quais convivemos – de modo amistoso ou
competitivo – durante toda a nossa vida, mas também
uma chance promissora para o controle de doenças
infecciosas que representam um grande risco à saúde
e ao bem-estar humanos. �
Figura 5. Os cientistas pensam em bloquear a
comunicação das bactérias para que não expressem
fatores de virulência, o que poderia ser obtido usando
auto-indutores inespecíficos, que se uniriam à proteína
R mas não a ativariam, evitando sua ligação a auto-
indutores específicos (A), ou interrompendo as reações
biológicas de síntese de auto-indutores através do uso
de análogos de precursores dessas moléculas (B)
Sugestões
para leitura
FUQUA, C. &
GREENBERG, E. P.
‘Cell-to-cell
communication
in Escherichia coli
and Salmonella
typhimurium:
they may be
talking, but who’s
listening?’,
in Proceedings
of the National
Academy of
Sciences, v. 95,
p. 6571, 1998.
HARDMAN, A. M.;
STEWART, G. S. A. B.
& WILLIAMS, P.
‘Quorum sensing
and the cell-cell
communication
dependent
regulation of gene
expression in
pathogenic and
non-pathogenic
bacteria’,
in Antonnie
van Leeuwenhoek,
v. 74, p. 199, 1998.
HASTINGS, J. W. &
GREENBERG, E. P.
‘Quorum sensing:
the explanation
of a curious
phenomenon
reveals a common
characteristic of
bacteria’, in Journal
of Bacteriology,
v. 181, p. 2667,
1999.
KIEVIT, T. R. &
IGLEWSKI, B. H.
‘Bacterial quorum
sensing in
pathogenic
relationships’,
in Infection and
Immunity, v. 68,
p. 4839, 2000.