Sebuah koloni bakteri umumnya terdiri dari dua atau lebih sel individu. Untuk mendorong pertumbuhan lebih lanjut, sel-sel dalam koloni perlu berkoordinasi melalui Quorum Sensing (QS), yang berfungsi sebagai mekanisme komunikasi antar sel. Sistem sinyal Quorum Sensing dalam Pseudomonas aeruginosa diketahui melibatkan beberapa komponen pengendalian, terutama sistem las dan rhl. Sistem las mengendalikan sistem rhl dalam suatu rangkaian hirarki sinyal, dan sistem rhl mengatur beberapa ekspresi gen, termasuk gen rhlA dan rhlB. Transkripsi rhlA dan rhlB menghasilkan enzim rhamnosyltransferase, yang mengarah pada produksi biosurfaktan yang diidentifikasi sebagai rhamnolipid. Dalam riset ini, kami menyelidiki bagaimana sistem las mengendalikan sistem rhl untuk mempengaruhi produksi rhamnolipid. Kami mengilustrasikan bagaimana produksi QS molekul dalam sistem las memengaruhi sistem rhl, menyebabkan peningkatan konsentrasi rhamnolipid. Rhamnolipid memainkan peran penting dalam penyebaran bakteri. Kami menggunakan model difusi simetris sederhana untuk mensimulasikan penyebaran koloni dan mendemonstrasikan bagaimana bakteri menyebar dari pusat koloni. Temuan kami memberikan wawasan tentang interaksi antara sistem las dan rhl, yang dapat memungkinkan sel-sel memicu produksi rhamnolipid di tepi koloni bakteri.
Rhamnolipid telah banyak diteliti karena fungsi pentingnya, struktur kimianya, sifat fisikokimia, dan sebagainya. Penelitian sebelumnya menunjukkan bahwa rhamnolipid memiliki peran penting dalam motilitas sel bakteri, interaksi sel, diferensiasi sel, dan pembentukan saluran air. Biosurfaktan rhamnolipid yang dihasilkan oleh Pseudomonas mempengaruhi struktur permukaan sel. Selain itu, rhamnolipid menyebabkan pengurangan total LPS seluler (lipopolisakarida), yang dapat dikaitkan dengan peningkatan hidrofobisitas sel. Peningkatan konsentrasi rhamnolipid-biosurfaktan hingga tingkat tertentu meningkatkan konsentrasi protein ekstraseluler tetapi tidak mempengaruhi pertumbuhan bakteri. LPS adalah komponen utama dari membran luar bakteri Gram-negatif dan bertanggung jawab untuk menstabilkan struktur membran secara keseluruhan yang terlibat dalam karakteristik impermeabilitas sel.
Bakteri menghasilkan dan melepaskan molekul sinyal QS yang dapat berdifusi. Telah banyak penelitian tentang difusi molekul sinyal QS, tetapi hanya sedikit penelitian yang fokus pada difusi QS dalam koloni yang berkembang secara spasial. Difusi molekul sinyal QS menghasilkan pola spasial dan temporal yang dapat menyinkronkan ekspresi gen. Sistem QS berbasis autoinducer merupakan bentuk komunikasi antar sel yang umum terjadi pada bakteri Gram-negatif. Meskipun QS dari P. aeruginosa telah intensif diteliti, masih belum jelas bagaimana sistem QS bertindak sebagai regulator global dari ekspresi gen dalam sel. Untuk memahami lebih baik sistem QS dan dinamikanya, kami telah mengembangkan pendekatan baru untuk memodelkan sistem QS P. aeruginosa. Pemodelan matematika telah menarik perhatian sebagai alat penelitian untuk mengidentifikasi proses dan parameter penting dalam sistem yang sedang dipelajari. Kami telah menggambarkan model sistem QS dalam P. aeruginosa dengan mempertimbangkan efek sistem dinamis dari las ke sistem rhl. Hasil numerik kami secara komprehensif mendukung gagasan bahwa las system efektif menciptakan fenomena ‘hand brake‘, terutama karena peningkatan signifikan dalam 3O-C12-HSL ekstraseluler. Hal ini mengarah pada perilaku dinamis produksi rhamnolipid sebagai produk sistem rhl yang dikendalikan oleh sistem las.
Penelitian ini disimpulkan dengan mendemonstrasikan perilaku dinamis penyebaran bakteri di mana rhamnolipid membantu perluasan koloni. Hasil ini menunjukkan potensi sistem las untuk secara implisit mengatur penyebaran bakteri meskipun bentuk fungsionalnya yang mewakili hubungan antara sistem las dan rhl masih perlu diselidiki untuk mendapatkan kemungkinan perilaku koloni bakteri lainnya. Selain itu, kami membangun model matematika untuk penyebaran bakteri dengan melibatkan difusi molekul sinyal ekstraseluler. Dalam hal ini, kami membangun model sederhana dari koloni yang menyebar pada permukaan nutrisi di mana tidak ada cairan antara koloni dan permukaan nutrisi. Dalam penelitian mendatang, hal ini dapat diperluas dengan mempertimbangkan kasus yang lebih rumit dalam hal bagaimana mekanisme fisik dispersi rhamnolipid berinteraksi dengan mekanisme biologis transisi bakteri (dari up-regulasi ke down-regulasi, atau sebaliknya) dan sinyal sel-sel. Dalam hal medium di mana penyebaran bakteri terjadi, penelitian mendatang juga dapat mempertimbangkan penyebaran koloni bakteri di media keras, lembut, sangat lembut, atau campuran, yang mencakup aspek pengaruh produksi rhamnolipid.
Penulis: Cicik Alfiniyah, M.Si., Ph.D
-differential-equations-in-applied-mathematics /vol/8
Authors: Cicik Alfiniyah*
Title: Modelling Downstream Impact of a Quorum Sensing System of Pseudomonas aeruginosa in Colony Spreading
