Prokaryotik tek hücreli organizmalar birbirleriyle, sözcükler yerine kimyasal sinyal molekülleri kullanarak iletişim kurarlar. Bu moleküllerin kullanılmasıyla, mikroorganizmalar çeşitli fonksiyonlarını populasyon yoğunluklarına göre düzenleyebilirler. Çevreyi algılama (quorum-sensing) olarak adlandırılan bu olay, tek bir mikroorganizmanın ortama sinyal molekülünü bırakması ve bu molekülün diğer mikroorganizmalar tarafından algılanmasıyla gerçekleşir (Fuqua vd., 1994).
Ortamdaki sinyal molekülü konsantrasyonu, mevcut bakteri miktarıyla orantılıdır. Bu nedenle sinyal moleküllerinin algılanması, bakterilerin birbirlerini algılamasını sağlar. Bu sayede sinyal molekülleri bakterilerin topluluk olarak yaşadıkları zaman, özel fonksiyonlarını gerçekleştirmelerini sağlayan genetik değişikliklerine imkan verir (Swift vd., 1994; Taga ve Bassler, 2003). Bakteride hücreler arası iletişim alanındaki son gelişmeler, çoğu bakteri gruplarının davranışlarını düzenlemek için ürettikleri kimyasal sinyal moleküllerini iletişimde kullandığını ortaya koymaktadır.
Bakterilerin iletişim için her bir türü birden fazla kimyasal sinyal molekülü kullanmaktadır. Bu sinyaller bakteriler için tür içinde ve türler arasında iletişimi sağlayarak yaşamı devam ettirmek ve doğal habitatlarıyla etkileşim açısından kritik önem taşımaktadır (Miller ve Bassler, 2001). Ayrıca çevreyi algılama sistemi bakterilerde, virülens faktörlerinin gen ekspresyonu, spor oluşumu, biyofilm oluşumu, kayma hareketi, yüzme hareketi, antibiyotik üretimi ve biyoışıma gibi birçok olayın gerçekleştirilmesini düzenler.
Çevreyi algılama sistemleri hakkında araştırma yapılan gram negatif bakterilerin büyük bir çoğunluğunda, sinyal molekülü olarak N-açil homoserin lakton molekülleri (AHL) iş görmektedir. Bu moleküller ilk olarak, ışık üretimini çevreyi algılama sistemi kullanarak düzenleyen deniz bakterisi olan Vibrio fischeri’de tanımlanmıştır (Nealson vd., 1970). Bu moleküller yoğunlukları sınır değere ulaştığı zaman, transkripsiyonel aktivatöre ya da R proteinine bağlanarak hedef genlerin ekspresyonunu uyarırlar. Bakteriler arasında, AHL sinyal moleküllerine dayanan bu sistemi kullandığı bilinen pek çok tür vardır. Bunlar arasında çevreyi algılama sistemi en çok çalışılmış olan; P. aeruginosa’da biyofilm üretimi ve virülens
faktörlerinin üretimini kontrol eden LasI/R ve RhlI/R sistemi, Agrobacterium tumefaciens’te Ti plazmitinin konjugasyonunu kontrol eden TraI/R sistemi, Erwinia carotovora’da antibiyotik üretimi ve ekzoenzim üretimini kontrol eden CarI/R sistemi (Fuqua vd., 2001; Whitehead vd., 2001; Smith vd., 2003; Lazdunski vd., 2004) sayılabilir.
Gram-negatif bakteriler arasında fırsatçı patojen olanların çoğu, yüksek yapılı organizmalarda kolonize olmaları sırasında, bu sinyal moleküllerini kullanarak populasyon davranışlarını düzenlerler (Hentzer vd., 2002). Dolayısıyla çevreyi algılama sistemi, bakterilere konak üzerinde kendi kritik populasyon yoğunluklarını algılayarak, gerekli virülens faktörlerini ve gen ürünlerinin ekspresyonunu aktive etmelerini sağlar (Parsek ve Greenberg, 2000; Pearson vd, 2000). Bu patojenlerden olan P. aeruginosa, toprakta ve sulu ortamlarda yaşayabilen gram-negatif, aerobik, hareketli bir bakteridir. Bu bakteri, fırsatçı bir insan patojeni olup insanlarda nazokomiyal enfeksiyonlara neden olması, güçlü adaptasyon yeteneklerinin olması gibi sebeplerden dolayı çalışma konusu olmuştur. Bu fırsatçı patojen, çeşitli ciddi enfeksiyonlar (yanık, AIDS, kanser) sonucu bağışıklık sistemi baskılanmış hastalarda veya kistik fibrozisli hastaların akciğerlerinde enfeksiyonlara neden olmaktadır. P . aeruginosa enfeksiyonuna maruz kalmış kistik fibrozisli hastalarda, bu bakteri yüksek morbidite ve mortalitenin sebebi durumundadır (Lyczak vd., 2002). Ayrıca P.
aeruginosa; kataterler, kalp kapakları ve diş protezleri gibi vücut içi tıbbi cihazlarda da kolonize olmaktadır (de Kievit ve Iglewski, 2000; Dunn ve Wunderink, 1995). P.
aeruginosa, virülensinin ortaya çıkmasında rolü olan çok çeşitli hücre dışı ürün sentezler. Bu virülens faktörlerinin ekspresyonu, hücre yoğunluğuna bağlı olarak düzenlenir ve pek çoğunun ekspresyonu sürekli değildir. Diğer birçok gram negatif bakteri gibi P. aeruginosa da, difüze olabilen N-açil homoserin lakton sinyal moleküllerine dayanan, kendi populasyon yoğunluklarını algılamalarını sağlayan ve çevreyi algılama sistemi olarak adlandırılan mekanizmayı kullanırlar (Delden ve Iglewski, 1998; Williams vd., 2000). Bu iletişim sisteminin temeli iki protein molekülüne bağlıdır. Bunlardan birisi LuxI ailesine mensup AHL sentetaz ve diğeri de LuxR ailesine ait AHL reseptör proteinidir. Düşük hücre populasyonunda az miktarda AHL üretilir. Hücre sayısının artmasıyla AHL sinyal molekülleri büyüme
ortamında sayıca artar ve sınır değere ulaştığı zaman AHL LuxR-tip reseptör proteine bağlanarak hedef genlerin indüksiyonunu veya represyonunu sağlar. P.
aeruginosa’da LasI/R ve RhlI/R sistemi olmak üzere iki adet çevreyi algılama sistemi mevcuttur. Las sisteminin transkripsiyonal aktivatörü LasR ve N-(3-okzododekanoyl)-L-homoserin lakton (OdDHL) molekülünün sentezini kontrol eden AHL sentetaz olan LasI proteinlerinden oluşur. Yine RhlR ve RhlI sisteminde transkripsiyonel aktivatör olarak RhlR ve N-bütanoyl-L-homoserin lakton (BHL) molekülünün sentezini kontrol eden RhlI proteinleri mevcuttur. Đki sistem birbirinden bağımsız değildir ve las sistemi rhlR ve rhlI nin ekspresyonunu pozitif olarak düzenler. P. aeruginosa’da las sistemi, bu iki sinyal sisteminin en üzerinde yer alır ve iki döngü hiyerarşik bir şekilde işlemektedir. Bu karmaşık sistemde rol oynayan Vfr, GacA, RsaL ve RpoS gibi ilave regülatörler mevcuttur. las sistemi, elastaz A, elastaz B ve alkalin proteaz gibi virülens faktörlerinin ekspresyonunu kontrol eder (Gambello vd., 1993; Passador vd., 1993). rhl sistemi, ramnolipid ve piyosiyanin biyosentez enzimlerinin ekspresyonunu ayrıca hidrojen siyanid sentezini kontrol eder (Ochsner ve Reiser, 1995; Brint ve Ohman, 1995; Pessi ve Haas, 2000). las ve rhl sistemleri birlikte iki yüzden fazla genin ekspresyonunda etkilidirler ve biyofilm oluşumunu da kontrol ederler (Whiteley vd., 1999). Ayrıca çevreyi algılama sistemi, bu bakteriler için oldukça kompleks davranışsal bir süreç olan biyofilm oluşumunu etkiler (Davies vd., 1998; Huber vd., 2001). Biyofilm oluşumu bakteriyal patojenitede ve ısrarcı enfeksiyonlarda önemli rol oynar (Costerton vd., 1999; Hoiby vd., 2001; Middleton vd, 2002; Singh vd., 2002).
Gen işleyişlerinin çevreyi algılama sistemini kullanılarak engellenmesiyle, P.
aeruginosa enfeksiyonlarının kontrol edilmesi yeni stratejiler arasındadır (Kline vd., 1999). Bu karmaşık düzenleyici sistemde bir çok potansiyel hedef bölgenin varlığı mevcuttur. P. aeruginosa’da in vivo olarak gerçekleştirilen kromozomal lasI ve rhlI genlerindeki mutasyonların, otoindükleyici sentezini ve virülens genlerinin ekspresyonunu güçlü bir şekilde azalttığı bilinmektedir (Ochsner ve Reiser, 1995;
Brint ve Ohman, 1995; Pearson vd., 1997; Pessi ve Haas, 2000). Ayrıca P.
aeruginosa’nın patojenitesinde çevreyi algılama sisteminin önemi, çeşitli hayvan deneyleriyle ortaya konmuştur. Bunlar arasında Caenorhabditis elegans nematot
modeli (Tan vd., 1999), neonatal pnömonili faremodeli (Tang vd., 1996) ve yanık fare modeli (Rumbaugh vd., 1999) sayılabilir. Bu hayvan deneylerinin tümünde, çevreyi algılama sisteminde mutasyon olan suşların orijinallerine göre daha az virülent olduğu ortaya konmuştur.
Çevreyi algılama sistemi pek çok farklı virülens faktörünün üretimini kontrol ettiği için bu sistemlerden birisinde veya her ikisinde birden bulunabilecek herhangi bir bozukluk, P. aeruginosa’ nın insanlarda enfeksiyona sebep olmasını ciddi bir şekilde etkiler. Yapılan kaynak araştırmasında, çevreyi algılama sisteminin çeşitli basamaklarında sorun olduğu düşünülen P. aeruginosa suşları için uygulanan değişik moleküler ve fenotipik testler uygulandığı tespit edilmiştir. Bu tip suşların, bu özellikler açısından incelenmesi önem taşımaktadır.
Bu çalışma kapsamında, çevreyi algılama sistemlerinde fonksiyonel eksikliğe rağmen klinik enfeksiyonlara neden olan P. aeruginosa suşlarında üretimi çevreyi algılama sisteminin kontrolü altında olan N-açil homoserin lakton ve diğer bazı virülens faktörlerinin üretimi, çeşitli moleküler ve fenotipik testler kullanılarak araştırılmıştır. Bu amaçla yüz adet klinik P. aeruginosa izolatı içerisinden çevreyi algılama sistemlerinde fonksiyonel bozukluk bulunan yirmi suş karakterize edilmiştir.