Quorum sensing, meccanismo con cui i batteri regolano l’espressione genica in accordo con la densità della popolazione attraverso l’uso di molecole segnale. Il quorum sensing permette alle popolazioni batteriche di comunicare e coordinare il comportamento del gruppo ed è comunemente usato dagli agenti patogeni (organismi che causano malattie) nei processi di malattia e infezione. L’attività batterica che coinvolge il quorum sensing è stata osservata per la prima volta a metà degli anni ’60 dal microbiologo di origine ungherese Alexander Tomasz nei suoi studi sulla capacità dello Pneumococco (poi noto come Streptococcus pneumoniae) di assumere DNA libero dal suo ambiente.
A.W. Rakosy/Encyclopædia Britannica, Inc.
I percorsi standard di quorum sensing consistono in popolazioni di batteri, molecole segnale e geni comportamentali. Le molecole segnale, note come autoinduttori, sono secrete nell’ambiente dai batteri e aumentano gradualmente di concentrazione man mano che la popolazione batterica cresce. Dopo aver raggiunto una certa soglia di concentrazione, le molecole diventano rilevabili dalle popolazioni di batteri, che quindi attivano i geni di risposta corrispondenti che regolano vari comportamenti, come la virulenza, il trasferimento genico orizzontale, la formazione di biofilm e la competenza (la capacità di assumere il DNA). Poiché molti di questi processi sono efficaci solo a certe dimensioni della popolazione, il quorum sensing è un meccanismo chiave di coordinamento del comportamento in molti microbi.
Anche se il quorum sensing è comune tra i batteri, il preciso sistema di rilevamento e la classe di composti quorum-sensing utilizzati possono differire. Inoltre, il modo in cui i diversi tipi di batteri applicano il quorum sensing varia notevolmente. Per esempio, il batterio Pseudomonas aeruginosa, che può causare polmonite e infezioni del sangue, usa il quorum sensing per regolare i meccanismi della malattia. Rimanendo relativamente innocuo fino a quando le dimensioni della popolazione sono sufficienti, i batteri sono in grado di sopraffare le difese dell’ospite con l’attivazione di geni che regolano la formazione di biofilm e la virulenza. In altri organismi, il quorum sensing è usato per i processi simbiotici e la crescita cellulare; un esempio è il meccanismo di fissazione dell’azoto del batterio Rhizobium leguminosarum.
Le capacità di comunicazione offerte dal quorum sensing sono molto utili per i batteri perché permettono alle popolazioni di batteri di acquisire tratti presenti nelle piante, negli animali e in altri organismi di livello superiore. Queste capacità, tra cui la comunicazione di gruppo e la sincronizzazione del comportamento, permettono alle popolazioni di batteri di svilupparsi più rapidamente, ottenere l’accesso a più risorse e assicurarsi migliori possibilità di sopravvivenza. Gli agenti patogeni con percorsi di quorum-sensing possono anche infettare più efficacemente gli organismi ospiti, portando a malattie più letali. Di conseguenza, per aiutare a uccidere o prevenire l’infezione da parte di microbi che utilizzano strategie di quorum-sensing, devono essere identificati nuovi modi per integrare le difese dell’ospite.
Su scala macroscopica, meccanismi simili al quorum sensing possono essere osservati in organismi come le formiche e le api. Le strategie di quorum sensing possono anche essere applicate alla robotica e alla tecnologia informatica in sensori, reti auto-organizzate e sciami di robot. Queste tecnologie possono essere utilizzate per varie applicazioni, tra cui il coordinamento dei nanobot medici nei trattamenti e l’organizzazione di robot umanoidi per la produzione e altri processi.