Bakterilerin Dili, Gizli Konuşmalar Ve “Grup Davranışı”

Bir amaç (ya da ortaklaşılan herhangi başka bir şey) için bir araya gelmiş iki ya da daha fazla bireyin oluşturduğu yapı grup olarak tanımlanır. Grup davranışı olarak bilinen kavram, grubu oluşturan bireylerin tek tek davranışlarının toplamının çok üstünde bir etkiye sahip kollektif davranış örüntülerine verilen isimdir. İnsan dahil birçok hayvan türü için grup davranışı paternleri tanımlanmıştır. Çok iyi bilinen bir örnek, normal ve sağlıklı sosyal ilişkilere sahip bir aile babasının stadyumda maç seyrederken kalabalıkla birlikte çok farklı bir bireye dönüşmesi ve kolaylıkla şiddet davranışı gösterebilmesidir (küfür etmenin de bir şiddet davranışı olduğunu hatırlatmak yerinde olacaktır).

Bir diğer örnek ise çöl çekirgelerinin farklı nüfus yoğunluklarında farklı davranış göstermeleridir. Bu türün bireyleri ortamda az sayıda olduklarında sakin bir hayat sürerler ve genel olarak zararsızdırlar. Ancak topluluk belirli bir nüfus yoğunluğunun üzerine çıktığında birdenbire üreme hızlarını arttırırlar, tüm bireyler aynı yöne doğru uçarak hareket etmeye başlarlar ve tarım alanlarını istila edip geniş çaplı kıtlıklara neden olabilirler (böylesi bir çekirge hareketi https://www.youtube.com/watch?v=6bx5JUGVahk adresindeki videoda izlenebilir)(1)(2). Peki bu grup davranışı denilen şeyi acaba sadece gelişmiş sinir sistemine sahip canlılarda mı gözlemleyebiliyoruz? Yaklaşık 40 yıldır bu soruya “hayır” cevabını vermekteyiz.

Bakterilerin hangi genlerini aktifleştireceklerini, yani fizyolojik aktivitelerini ve davranış biçimlerini planlarken, bulundukları yerdeki nüfuslarını dikkate aldıkları artık iyi bilinen bir olgudur (3). Bir diğer deyişle vücudumuzdaki bakteriler uslu durmaya ya da hastalık yapmaya ortamda “kaç kişi” olduklarına göre karar vermektedir. Bunu yaparken de küçük sinyal molekülleri sayesinde birbirleriyle haberleşmektedirler. Bu haberleşme sistemine quorum sensing sistemi (Latince’de quorum: karar yeter sayısı anlamına gelmektedir), bu süreçte kullandıkları sinyal moleküllerine ise quorum sensing molekülleri adı verilir (4). Sistemin çalışma biçimi, kısaca özetlemek gerekirse, şu şekildedir: Bakteri hücreleri bu haberci molekülleri bulundukları ortama az miktarda devamlı salgılar. Ortamdaki bakteri sayısı az ise bu quorum sensing moleküllerinin miktarı da düşük olacaktır.

Bakteri sayısı arttıkça haberci moleküllerin ortamdaki yoğunlukları da giderek artar ve bu yoğunluk belli bir eşik değerin üzerine çıktığında moleküller artık bakteri hücrelerinin içerisine girerek bazı genlerin durdurulmasına, bazılarının da çalıştırılmasına neden olurlar. Böylece sayıca az iken gürültü etmeden ve bağışıklık sistemimize kendilerini belli etmeksizin yaşayıp giden bakteriler kalabalık hale geldiklerinde hastalık yapıcı ve toksin üretici genlerini (virülans genleri) çalıştırıp enfeksiyon tablosunu başlatırlar (bir nevi grup davranışı). Daha da ilginci, bakterilerin yalnızca kendi türlerinden olan diğer bireylerle (kardeşleriyle) değil, ortamdaki başka bakteri türleriyle de haberleşebildikleri artık anlaşılmıştır (5).

İnsan vücudunda hastalık yapma özelliğine sahip çok sayıdaki bakteri türünde bu mekanizmalar tanımlanabilmiş ve farklı bakteri türlerinin haberleşmede kullandıkları sinyal moleküllerinin ne oldukları ve nasıl çalıştıkları keşfedilebilmiştir. Bu moleküller enfeksiyon tanısında ve tedavisinde kullanılabilir. Örneğin, bu sinyal sistemlerini kullanarak “örgütlenen” bakterileri henüz güçlenmeye fırsat bulamadan tespit edip düşük doz antibiyotikler ile tedavi edebilirsek savaşı daha başlamadan kazanmak mümkün olabilir. Ya da bu sinyal moleküllerini bozacak yeni nesil ilaçlar üretebilirsek bakterilerin hastalık yapma kararı vermelerine baştan engel olmak olası hale gelecektir.

Danimarka’dan nanofizik uzmanı Dr. Fatima AlZahra'a Alatraktchi, yaptığı çalışmalar sonucunda Pseudomonas aeruginosa bakterilerinin birbirleriyle haberleşirken kullandıkları sinyal sisteminde rol oynayan bir molekülü (piyosiyanin) insan örneklerinde elektrokimyasal olarak tespit edebilen bir sistemi yakın zamanda geliştirmeyi başardı (6). Dr. Alatraktchi bu sayede bakterilerin birbirleriyle fısıldaşmalarını dinlemenin mümkün hale geldiğini söylüyor (7). Geliştirilen bu sistemin kistik fibrozis hastalarının akciğerlerinden gelen örneklerdeki Pseudomonas aeruginosa bakterisini, bakteriler henüz hastalık yapmaya karar verme aşamasındayken ve geleneksel kültür testlerinin tespit etmesinden çok daha erken zamanlarda yakalayabildiği görülmüş. Böylece kistik fibrozis hastalarında enfeksiyonun ortaya çıkabileceği çok önceden anlaşılabilmiş ve bakterilerin daha düşük dozda antibiyotikler ile kontrol edilebilme fırsatı yakalanabilmiş. Daha düşük dozda antibiyotik kullanımının sağlayacağı diğer bir faydanın da antibiyotik direnci gelişimi riskinin azalması olduğu kaydedilmekte. (Dr. Alatraktchi’nin geliştirdiği sistemi anlattığı TEDx konuşmasını dinlemek için: https://www.ted.com/talks/fatima_alzahra_a_alatraktchi_to_detect_diseases_earlier_let_s_speak_bacteria_s_secret_language ) 

Belki de yakın gelecekte benzer yöntemler sayesinde akciğerdeki Pseudomonas aeruginosa bakterilerinin yanında diğer vücut bölgelerinde enfeksiyon planları yapan diğer bakterilerin de sinsi fısıldaşmalarını dinlemek ve gizli planlarını ortaya çıkartmak mümkün hale gelecek. Bu sayede basit periyodik tarama testleri yapmak suretiyle kısa süre içinde başlayacak olan bir enfeksiyonu önceden tespit edip ve tedbir alma olanağına kavuşacağız.

Kaynakça:

1. Ariel G, Ayali A. Locust Collective Motion and Its Modeling. PLoS Computational Biology. 2015.
2. Dyson L, Yates CA, Buhl J, McKane AJ. Onset of collective motion in locusts is captured by a minimal model. Phys Rev E [Internet]. 2015 Nov 6 [cited 2019 Jul 13];92(5):052708. Available from: https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevE.92.052708
3. Miller MB, Bassler BL. Quorum sensing in bacteria. Annu Rev Microbiol. 2001;
4. Waters CM, Bassler BL. QUORUM SENSING: Cell-to-Cell Communication in Bacteria. Annu Rev Cell Dev Biol. 2005;
5. How do bacteria communicate? | HowStuffWorks [Internet]. [cited 2019 Jul 13]. Available from: https://science.howstuffworks.com/life/cellular-microscopic/bacteria-communication.htm
6. Alatraktchi FAZ a., Noori JS, Tanev GP, Mortensen J, Dimaki M, Johansen HK, et al. Paper-based sensors for rapid detection of virulence factor produced by Pseudomonas aeruginosa. PLoS One. 2018;
7. “Revolutionary” tool that can “listen to bacteria communicate” could curb antibiotic resistance | Daily Mail Online [Internet]. [cited 2019 Jul 13]. Available from: https://www.dailymail.co.uk/health/article-7042147/Revolutionary-tool-listen-bacteria-communicate-curb-antibiotic-resistance.html