Quorum-based algorithms are widely used for solving several problems in mobile ad hoc networks (MANET) and wireless sensor networks (WSN). Several quorum-based protocols are proposed for multi-hop ad hoc networks that each one has its pros and cons. Quorum-based protocol (QEC or QPS) is the first study in the asynchronous sleep scheduling protocols. At the time, most of the proposed protocols were non-adaptive ones. But nowadays, adaptive quorum-based protocols have gained increasing attention, because we need protocols which can change their quorum size adaptively with network conditions. In this paper, we first introduce the most popular quorum systems and explain quorum system properties and its performance criteria. Then, we present a comparative and comprehensive survey of the non-adaptive and adaptive quorum-based protocols which are subsequently discussed in depth. We also present the comparison of different quorum systems in terms of the expected quorum overlap size (EQOS) and active ratio. Finally, we summarize the pros and cons of current adaptive and non-adaptive quorum-based protocols.
Many bacteria monitor their population density and control the expression of specialized gene sets in response to bacterial cell density based on a mechanism referred to as quorum sensing. In all cases, quorum sensing involves the production and detection of extracellular signaling molecules, auto inducers, as which Gram-negative and Gram-positive bacteria use most prevalently acylated homoserine lactones and processed oligo-peptides, respectively. Through quorum-sensing communication circuits, bacteria regulate a diverse array of physiological functions, including virulence, symbiosis, competence, conjugation, antibiotic production, motility, sporulation, and biofilm formation. Many pathogens have evolved quorum-sensing mechanisms to mount population-density-dependent attacks to over-whelm the defense responses of plants, animals, and humans. Since these AHL-mediated signaling mechanisms are widespread and highly conserved in many pathogenic bacteria, the disruption of quorum-sensing system might be an attractive target for novel anti-infective therapy. To control AHL-mediated pathogenicity, several promising strategies to disrupt bacterial quorum sensing have been reported, and several chemicals and enzymes have been also investigated for years. These studies indicate that anti-quorum sensing strategies could be developed as possible alternatives of antibiotics.
Recent advances in studies of bacterial gene expression and light microscopy show that cell-to cell communication and communication and community behavior are the rule rather than the exception. One type of cell-cell communication, quorum sensing in Gram-negative bacteria involves acyl-homoserine lactone signals. This type of quorum sension represents a dedicated communication system that enables a given species to sense when it has reached a critical population density. and to respond by activating expression of specific genes. The LuxR and LuxI proteins of Vibrio fisheri are the founding members of the acyl-homoserine lactone quorum sensing signal receptor and signal generator families of proteins. Acyl-homeserine lactone signaling in Pseudomonas aeruginosa is one model for the relationship between quorum sensing community behavior, and virulence. In the P. aeruginosa model. quorum sensing is required for normal biofilm maturation and virulence. There are multiple quorum-sensing circuits that control the expression of dozens of specific genes in P. aeruginosa.
Rhizobium and related genera are soil bacteria with great metabolic plasticity. These microorganisms survive in many different environments and are capable of eliciting the formation of nitrogen-fixing nodules on legumes. The successful establishment of symbiosis is precisely regulated and requires a series of signal exchanges between the two partners. Quorum sensing (QS) is a prevalent form of population density-dependent gene regulation. Recently, increasing evidence indicates that rhizobial quorum sensing provides a pervasive regulatory network, which plays a more generalized role in the physiological activity of free-living rhizobia, as well as during symbiosis. Several rhizobia utilize multiple, overlapping quorum sensing systems to regulate diverse properties, including conjugal transfer and copy number control of plasmids, exopolysaccharide biosynthesis, rhizosphere-related functions, and cell growth. Genomic and proteomic analyses have begun to reveal the wide range of functions under quorum-sensing control.
To gain maximal benefit in a competitive environment, single-celled bacteria have adopted a community genetic regulatory mechanism, known as quorum sensing (QS). Many bacteria use QS signaling systems to synchronize target gene expression and coordinate biological activities among a local population. N-acylhomoserine lactones (AHLs) are one family of the well-characterized QS signals in Gram-negative bacteria, which regulate a range of important biological functions, including virulence and biofilm formation. Several groups of AHL-degradation enzymes have recently been identified in a range of living organisms, including bacteria and eukaryotes. Expression of these enzymes in AHL-dependent pathogens and transgenic plants efficiently quenches the microbial QS signaling and blocks pathogenic infections. Discovery of these novel quorum quenching enzymes has not only provided a promising means to control bacterial infections, but also presents new challenges to investigate their roles in host organisms and their potential impacts on ecosystems.
본 논문에서는 무선센서 네트워크 환경에서 스케줄링 기법 중 큐롬(Quorum)기반 이웃 노드 탐색 프로토콜을 개선한 결합 큐롬기반 스케줄링 기법을 제안한다. 본 논문에서 제시하는 방법은 서로 다른 크기를 갖는 두 개의 큐롭기반 스케줄링을 결합하여 새로운 스케줄을 생성하는 방법이다. 기존의 그리드기반의 큐롬 스케줄링 방법은 주어진 스케줄의 주기 내에서 2번의 만남을 보장하는 방법이지만 두 개의 그리드를 결합하여 생성된 스케줄방법은 두 개의 스케줄이 만나는 횟수가 증가한다. 제안하는 방법과 토심(TOSSIM) 시뮬레이터를 사용하여 그리드기반의 스케줄링 방법인 큐롬, 써치라이트 및 헤디스와 성능을 비교하였다. 실험에서 모든 센서 노드가 서로 다른 듀티 싸이클을 가정하여 실험을 수행하였다. 실제 실험결과 제안하는 방법이 기존의 다른 이웃 노드탐색 프로토콜에 비해 우수한 성능을 보였다.
분산 시스템에서 가용성을 높이고 전체 시스템의 성능을 향상시키기 위해 데이터는 여러 노드에 중복하여 저장된다. 여기서는 전역적 접근제어를 위해서 읽기/쓰기 동작을 수행하는데 필요한 노드의 집합을 정의하는 Quorum 프로토콜이 존재한다. Quorum 프로토콜을 사용하는 대표적인 복제 프로토콜인 Tree Quorum 프로토콜은 트리의 높이가 증가할수록 노드의 수가 기하급수적으로 증가하고, Grid 프로토콜은 노드에 장애가 발생하지 않아도 언제나 같은 읽기/쓰기 비용을 갖는다는 단점을 갖고 있다. 따라서, 본 논문에서는 기존 프로토콜의 장점을 가지면서 단점을 해결할 수 있는 새로운 하이브리드 프로토콜을 제안한다. 제안된 하이브리드 프로토콜은 전체적으로는 트리 구조를 가지면서 각 레벨에서는 그리드의 열과 같은 구조를 가짐으로써 노드에 장애가 없을 때에는 Tree Quorum 프로토콜과 같이 적은 동작 비용을 요구하며, 노드에 장애가 존재할 경우에도 기존 프로토콜에 비해 상대적으로 적은 동자 비용과 높은 가용성을 보인다. 그러므로 높은 데이터 가용성이 요구되는 서바이벌 스토리지 시스템에 효율적으로 적용 가능하다. 본 논문에서는 수학적 모델링을 통하여 제안된 프로토콜의 비용과 가용성을 평가하고, 시뮬레이션을 통해 응답시간과 처리율을 기존의 Tree quorum프로토콜과 비교한다.
Park, Su-Jin;Park, Sun-Yang;Ryu, Choong-Min;Park, Seung-Hwan;Lee, Jung-Kee
Journal of Microbiology and Biotechnology
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제18권9호
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pp.1518-1521
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2008
Bacteria sense their population density and coordinate the expression of target genes, including virulence factors in Gram-negative bacteria, by the N-acylhomoserine lactones (AHLs)-dependent quorum sensing (QS) mechanism. In contrast, several soil bacteria are able to interfere with QS by enzymatic degradation of AHLs, referred to as quorum quenching. A potent AHL-degrading enzyme, AiiA, from Bacillus thuringiensis has been reported to effectively attenuate the virulence of bacteria by quorum quenching. However, little is known about the role of AiiA in B. thuringiensis itself. In the present study, an aiiA-defective mutant was generated to investigate the role of AHA in rhizosphere competence in the root system of pepper. The aiiA mutant showed no detectable AHL¬-egrading activity and was less effective for suppression of soft-rot symptom caused by Erwinia carotovora on the potato slice. On the pepper root, the survival rate of the aiiA mutant significantly decreased over time compared with that of wild type. Interestingly, viable cell count analysis revealed that the bacterial number and composition of E. carotovora were not different between treatments of wild type and the aiiA mutant. These results provide evidence that AHA can play an important role in rhizosphere competentce of B. thuringiensis and bacterial quorum quenching to Gram-negative bacteria without changing bacterial number or composition.
The reliability of sensor networks is generally dependent on the battery power of the sensor nodes that it employs; hence it is crucial for the sensor nodes to efficiently use their battery resources. This research paper presents a method to increase the reliability of sensor nodes by constructing a connected dominating tree (CDT), which is a subnetwork of wireless sensor networks. It detects the minimum number of dominatees, dominators, forwarder sensor nodes, and aggregates, as well as transmitting data to the sink. A new medium access control (MAC) protocol, called Homogenous Quorum-Based Medium Access Control (HQMAC), is also introduced, which is an adaptive, homogenous, asynchronous quorum-based MAC protocol. In this protocol, certain sensor nodes belonging to a network will be allowed to tune their wake-up and sleep intervals, based on their own traffic load. A new quorum system, named BiQuorum, is used by HQMAC to provide a low duty cycle, low network sensibility, and a high number of rendezvous points when compared with other quorum systems such as grid and dygrid. Both the theoretical results and the simulation results proved that the proposed HQMAC (when applied to a CDT) facilitates low transmission latency, high delivery ratio, and low energy consumption, thus extending the lifetime of the network it serves.
본 총설은 N-acyl-homoserine lactone (AHL)에 기반한 quorum sensing(QS)을 비롯한 다양한 QS 시스템 및 생물막 형성과의 관련성에 대한 연구 동향을 정리하였다. 또한 anti-QS으로서 quorum quenching 전략을 이용한 생물막 억제 연구 동향에 대해 중점적으로 서술하였다. 세균의 독특한 신호전달 체계인 QS는 AHL과 같은 특정한 신호분자의 농도에 의해 세균의 집단적 행동 양식이 결정되는 세포밀도-의존성 유전자 발현 조절 메커니즘이다. QS 시스템은 미생물의 부착 및 생물막 형성에 있어 중요한 역할을 한다. AI-1이나 AI-2에 의한 QS는 생물막 형성 과정에 필요한 세포외 다당류, 단백질, 세포 외 DNA 등 주요한 구성 성분 등의 생산뿐만 아니라, 세균의 운동성 조절, 부착, 생물막 해체 과정까지도 조절하는 기능을 한다. 일부 세균의 경우 QS시스템 이외에도 second messenger로 알려진 c-di-GMP에 의한 signaling이 QS와 서로 연결되어 생물막 형성이나 병독성과 같은 타깃들을 함께 조절한다. 생물막은 병원성 세균에 의한 감염 시 여러 가지 병독성 가운데 가장 중요한 요소 중 하나이기 때문에, 생물막 형성을 조절하는 QS를 차단하기 위한 다양한 anti-quorum sensing 전략이 연구되고 있다. Anti-QS 접근 방식은 의학적 이용뿐만 아니라 물에 노출되어있는 MBR을 비롯한 많은 산업적 장치 등에서 생물막 형성으로 인한 손상 및 오염을 방지하기 위해 쓰일 수 있다. Anti-QS 전략 중 신호분자인 AHL을 무력화 시키는 quorum quenching 효소(AHL-lactonase, AHL-acylase, oxidoreductas)를 이용하여 생물막 형성을 억제할 수 있으며, 막을 이용한 수처리 공정에서 막에 발생하는 biofouling을 완화시킬 수 있는 새로운 anti-fouling 처리 기술로서 이러한 QQ 효소의적용 가능성을 보여 주고 있다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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