張曙梅徐向榮徐浩

（1. 安徽工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，馬鞍山 243032；2. 安徽工業(yè)大學(xué)數(shù)理學(xué)院，馬鞍山 243032）

細(xì)菌生物膜群體感應(yīng)系統(tǒng)研究進展

張曙梅1徐向榮1徐浩2

（1. 安徽工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，馬鞍山 243032；2. 安徽工業(yè)大學(xué)數(shù)理學(xué)院，馬鞍山 243032）

細(xì)菌生物膜群體感應(yīng)系統(tǒng)是指細(xì)菌通過分泌信號分子并通過感知其在周圍環(huán)境中的濃度，調(diào)控某些基因的特異性表達及生理功能和生活習(xí)性的系統(tǒng)，是細(xì)菌生命活動的主要調(diào)控機制之一。通過對細(xì)菌生物膜群體感應(yīng)的研究，可以了解其內(nèi)部機理和特性，從而找到抑制生物膜有害作用的最好方法。對細(xì)菌生物膜群體感應(yīng)系統(tǒng)的種類、特征和相關(guān)應(yīng)用的研究進行綜述。

細(xì)菌；生物膜；群體感應(yīng)；信號分子

細(xì)菌生物膜（bacterial biofilm，BBF）是一類或多類細(xì)菌為了更好的適應(yīng)自身所處的自然環(huán)境所形成的，可以使同類或者多類細(xì)菌之間相互合作從而生成特定的成分及特定的結(jié)構(gòu)，其形狀如膜狀且不可逆地附著于載體的表面，主要的組成成分是多糖蛋白復(fù)合物［1］。為了更好的適應(yīng)環(huán)境，細(xì)菌都會優(yōu)先選擇形成生物膜而不是成為浮游細(xì)菌。在生物膜中，細(xì)菌分泌的胞外聚合物（extracellular polymeric substances，EPS）可以保護細(xì)菌免于外界惡劣環(huán)境的影響，為細(xì)菌生長提供一道天然的有利屏障。

群體感應(yīng)（quorum sensing，QS），即細(xì)菌與細(xì)菌之間的交流體制［2］。QS的概念最初在1994年，由Fuqya等提出［3］，而首次發(fā)現(xiàn)QS現(xiàn)象的是Nealson等［4］通過對海洋費氏弧菌（Vibrio fischeri）的發(fā)光現(xiàn)象的研究。隨后科學(xué)家們證實了這種交流體制普遍存在于各種細(xì)菌中，并且發(fā)現(xiàn)此體制的正常運行需要一些可溶性的小分子信號分子作為信息載體，也稱為自體誘導(dǎo)物（auto-Inducer，AI）。細(xì)菌生物膜一旦檢測到周圍細(xì)菌的數(shù)量和濃度達到特定的閾值時，細(xì)菌便會通過所分泌的信號分子發(fā)出相應(yīng)的信號，誘導(dǎo)細(xì)菌中特異性基因的表達，協(xié)調(diào)改變細(xì)菌之間的行為方式，一同體現(xiàn)細(xì)菌的相關(guān)生理特征，從而表現(xiàn)出單個細(xì)菌所無法獨立完成的某些生理功能和反應(yīng)。因為QS現(xiàn)象只有在細(xì)菌濃度達到

一定閾值后才能誘導(dǎo)發(fā)生，故此現(xiàn)象也被稱為細(xì)胞密度依賴的基因表達（cell density dependent control of gene expression）。細(xì)菌QS系統(tǒng)可以保證細(xì)菌生物膜正常生長時所需營養(yǎng)物質(zhì)的運輸和所產(chǎn)廢物的排出，避免因其過度生長而造成的生存空間和營養(yǎng)物質(zhì)的缺乏，從而保證細(xì)菌生物膜生理功能的正常體現(xiàn)［5］。其次，QS系統(tǒng)參與調(diào)控細(xì)菌的多種生活習(xí)性及生理過程，如生物體的發(fā)光、Ti質(zhì)粒的接合與轉(zhuǎn)移、生物膜的形成與穩(wěn)定生長、細(xì)菌細(xì)胞的分化、抗生素的形成、胞外多糖的產(chǎn)生、病原微生物的毒性、細(xì)菌與生物體的共生等［6，7］。因此，對細(xì)菌QS系統(tǒng)的研究受到醫(yī)療醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護、生物工程、農(nóng)業(yè)工程、食品科學(xué)、仿生制造等領(lǐng)域研究者越來越多的關(guān)注［8，9］。本文主要介紹了QS的相關(guān)理論知識，詳細(xì)說明了QS的分類以及特征，通過對QS內(nèi)部機理和習(xí)性的全面了解，從而找到抑制或消除細(xì)菌生物膜有害作用的最有效方法。

1 細(xì)菌QS系統(tǒng)分類

細(xì)菌QS系統(tǒng)的正常工作需要依靠細(xì)菌產(chǎn)生的信號分子，根據(jù)細(xì)菌QS系統(tǒng)的作用范圍，可將其分為種內(nèi)QS系統(tǒng)和種間QS系統(tǒng)；根據(jù)細(xì)菌產(chǎn)生的信號分子，可大致分為革蘭氏陰性菌QS系統(tǒng)、革蘭氏陽性菌QS系統(tǒng)、混合型QS系統(tǒng)［10，11］三類。

1.1 革蘭氏陰性菌QS系統(tǒng)

革蘭氏陰性細(xì)菌QS系統(tǒng)是現(xiàn)今研究最多的一類，其分泌的信號分子是一些小分子內(nèi)酯類分子，大部分由AHLs（N-Acyl homoserine lactones）擔(dān)當(dāng)。AHLs是一類特殊的具有水溶性和膜透過性的兩親性化合物，可以利用擴散作用自由穿越或通過特定的轉(zhuǎn)運通道（LuxI/R，其中LuxI是AHLs合成酶，LuxR是調(diào)節(jié)蛋白）到達胞外，并在周圍環(huán)境中逐漸累積［12］。當(dāng)細(xì)菌細(xì)胞處于低濃度環(huán)境時，AHLs便會沿著濃度梯度的方向主動的擴散，隨著內(nèi)外濃度差的不斷縮小，自由擴散作用慢慢減弱，直至細(xì)胞內(nèi)外濃度大致相同。當(dāng)AHLs濃度達到特定閾值時，某些功能基因便會開始誘導(dǎo)表達［13］（圖1）。

圖1 革蘭氏陰性菌QS系統(tǒng)

1.2 革蘭氏陽性菌QS系統(tǒng)

革蘭氏陽性菌QS系統(tǒng)的信號分子一般是寡肽類物質(zhì)AIPs（autoinducing peptides），調(diào)控過程主要包括AIPs的合成、加工、分泌以及細(xì)菌對AIPs的信號響應(yīng)等，其信號識別系統(tǒng)是雙組分信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)（two component system，TCS），細(xì)菌通過該系統(tǒng)來調(diào)控體內(nèi)相關(guān)基因的表達［14］（圖2）。因為AIPs不能自由穿透細(xì)胞壁出入細(xì)胞，因此便需要借助其他系統(tǒng)，如ABC（ATP-binding-cassette）轉(zhuǎn)運系統(tǒng)或其他膜通道蛋白，通過這些系統(tǒng)的作用才能到達胞外行使特有的信號功能［15］。

圖2 革蘭氏陽性菌QS系統(tǒng)

1.3 混合型QS系統(tǒng)

自然界中，在一個狹小的空間內(nèi)往往存在多種細(xì)菌，故除了需要種內(nèi)的QS系統(tǒng)，種間的QS系統(tǒng)也同樣必不可少［16］。有研究發(fā)現(xiàn)某些信號分子不僅可以存在于一類細(xì)菌中，如革蘭氏陰性菌，同樣也會在另一類細(xì)菌中檢測到，如革蘭氏陽性菌，通過這類信號分子誘導(dǎo)基因表達的系統(tǒng)則被稱為混合型QS系統(tǒng)?；旌闲蚎S系統(tǒng)不僅可以幫助細(xì)菌了解自身群體在周圍環(huán)境中的濃度變化，而且還可以清楚的了解到周圍其他細(xì)菌的濃度變化；其次，混合型QS系統(tǒng)在種間產(chǎn)生信號分子后的反應(yīng)與種內(nèi)的不同，種間的信號分子可以幫助細(xì)菌根據(jù)其在周圍環(huán)境中的濃度判斷自己的等級，借此來適當(dāng)調(diào)整細(xì)菌自身的生理行為。因此，可同時在多類細(xì)菌中生成和存在的信號分子便可作為細(xì)菌種間交流的橋梁和工具，即作為一種通用的信號分子來進行不同細(xì)菌間的信息交流?；旌闲蚎S系統(tǒng)一般都具有兩條平行的感應(yīng)路徑，這兩條路徑均能獨立地將信息傳遞給各自的感應(yīng)調(diào)控處，誘導(dǎo)各自的基因表達［17］。

2 細(xì)菌QS系統(tǒng)的特征和原則

細(xì)菌QS系統(tǒng)普遍存在于各類細(xì)菌中，雖然不同細(xì)菌的QS系統(tǒng)依靠不同的信號分子，不同的信號分子誘導(dǎo)不同的基因表達，但是各類QS系統(tǒng)表現(xiàn)出來的特點特征以及存在的原則卻是基本相同的。

2.1 細(xì)菌QS系統(tǒng)的特征

細(xì)菌QS系統(tǒng)的特征從以下7個方面描述［18，19］，分別是：（1）分布廣泛：QS系統(tǒng)不僅可以存在于細(xì)菌中，同樣也可以存在于真菌、植物、動物等生物中；（2）信號分子種類繁多：不同的QS系統(tǒng)會分泌不同的信號分子，即使相同的QS系統(tǒng)也會同時分泌兩種甚至3種信號分子，迄今已發(fā)現(xiàn)包括AHLs、AIPs在內(nèi)多種信號分子；（3）信號分子具有多重功能：在QS系統(tǒng)中，各種信號分子不僅僅只具有對環(huán)境做出反應(yīng)的功能，有的信號分子還具有一定的抗菌活性，有的信號分子則可以參與物質(zhì)的運輸。其他異類細(xì)菌可以生成同類的信號分子，但此類信號分子調(diào)節(jié)的生活習(xí)性和生理功能卻是不相同的。這種調(diào)節(jié)機制有利于異類細(xì)菌之間的交流和聯(lián)系，以確保其本身在周圍生存環(huán)境中的有利位置；（4）信號分子生成機制各異：不同類的QS系統(tǒng)具有不同的信號分子生成機制，例如革蘭氏陰性菌QS系統(tǒng)信號分子的產(chǎn)生依靠的是胞內(nèi)蛋白酶催化相關(guān)蛋白結(jié)合生成AHLs，而革蘭氏陽性菌QS系統(tǒng)信號分子則一般由細(xì)菌體內(nèi)產(chǎn)生的前導(dǎo)肽經(jīng)加工、修飾成為成熟的寡肽信號分子AIPs；（5）信號分子轉(zhuǎn)運機制不同：有的信號分子的轉(zhuǎn)運需要專門的運輸系統(tǒng)，如因AIPs不能自由的穿透細(xì)胞壁，故需借助于ABC轉(zhuǎn)運系統(tǒng)或 其他膜通道蛋白作用方可到達細(xì)胞外行使特異性功能，而AHLs則不需要任何轉(zhuǎn)運工具就可以自由出入細(xì)胞膜；（6）信號感應(yīng)機制多樣：革蘭氏陽性菌QS系統(tǒng)是通過雙組分的感應(yīng)蛋白感受周圍環(huán)境的變化，然后對AIPs進行感應(yīng)，從而調(diào)控相關(guān)基因的表達，誘導(dǎo)相關(guān)生理特征的發(fā)生，而革蘭氏陰性菌QS系統(tǒng)的AHLs則是直接與受體蛋白結(jié)合，從而啟動相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄，使某些生理功能得到體現(xiàn)；（7）不同QS系統(tǒng)之間關(guān)系復(fù)雜：有的細(xì)菌體內(nèi)同時共存著兩套甚至三套QS系統(tǒng)，有的QS系統(tǒng)間具有等級的調(diào)控效應(yīng)，而有的則有著優(yōu)先的誘導(dǎo)順序。不同的QS系統(tǒng)共同構(gòu)成了一個復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，共同調(diào)控著細(xì)菌的多種生理反應(yīng)和生理特征，從而提高了細(xì)菌在環(huán)境中的生存率。

2.2 細(xì)菌QS系統(tǒng)的原則

細(xì)菌QS系統(tǒng)主要有4個基本原則［20-22］：（1）細(xì)菌所在群體中的每個個體都能分泌產(chǎn)生信號分子，只有分泌足夠的信號分子使其濃度達到閾值才能誘導(dǎo)相關(guān)基因的特異性表達，QS系統(tǒng)才能發(fā)揮功能。（2）細(xì)菌分泌產(chǎn)生的信號分子需要在細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境中自由擴散，廣泛分布于細(xì)菌生存的環(huán)境中；（3）受體需要實時的了解環(huán)境中信號分子的濃度，一旦信號分子的濃度達到閾值，受體需要馬上誘導(dǎo)相關(guān)的基因進行下一步的活動；（4）QS系統(tǒng)的一些相關(guān)基因能夠在接受受體誘導(dǎo)后及時表達，同時通過這種機制促進細(xì)菌群體中每個個體保持一致性。

3 細(xì)菌QS系統(tǒng)的應(yīng)用

細(xì)菌QS系統(tǒng)可以促進細(xì)胞之間的信息交流，同時也是生物膜形成與穩(wěn)定生長至關(guān)重要的影響因素，因此研究細(xì)菌的QS系統(tǒng)，可以幫助我們了解細(xì)菌與細(xì)菌、細(xì)菌與環(huán)境之間的交流與聯(lián)系，從而利用QS系統(tǒng)來控制細(xì)菌的生活習(xí)性和生理功能。

應(yīng)用QS系統(tǒng)可以抑制疾病的傳播，這也是細(xì)菌QS系統(tǒng)最主要的應(yīng)用。首先，通過QS系統(tǒng)抑制相關(guān)致病信號分子的分泌與累計，或者生成令信號分子滅活的信號分子降解酶，從而抑制了致病基因的表達，降低細(xì)菌的感染能力；其次，由于QS系

統(tǒng)的信號分子參與細(xì)菌生物膜形成的分化階段，故可以通過抑制QS反應(yīng)來干擾細(xì)菌生物膜的正常形成過程，從而減弱細(xì)菌對藥物的抗藥性，縮減細(xì)菌的生命周期；再次，通過合成QS系統(tǒng)的信號分子類似物，使其與真正的信號分子競爭同環(huán)境中的受體蛋白結(jié)合的機會，破壞細(xì)菌的調(diào)控機制，從而抑制其QS系統(tǒng)的正常功能，使病原菌失去致病力［23］。

4 結(jié)語

QS系統(tǒng)是細(xì)菌主要的調(diào)控和交流機制，細(xì)菌利用其可以方便的感知周圍環(huán)境中自身或其他細(xì)菌的濃度變化，并借此來調(diào)控細(xì)菌內(nèi)某些特定基因的表達，從而改變細(xì)菌的某些生理功能和生活習(xí)性，抑制或消除細(xì)菌的有害作用。但是，由于QS系統(tǒng)分布面廣，信號分子的種類和功能多樣，各機制之間的協(xié)調(diào)關(guān)系各異，且不同QS 系統(tǒng)之間關(guān)系復(fù)雜，所以迄今為止人們對其認(rèn)識還不夠全面。因此，我們應(yīng)嘗試多種方法，如建立數(shù)學(xué)模型模擬QS系統(tǒng)來掌握細(xì)菌QS系統(tǒng)的機理，了解影響其作用的因素，從而探明如何控制QS系統(tǒng)才能準(zhǔn)確高效的達到我們的目的。只有在充分了解如何調(diào)控細(xì)菌的QS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，才能將其更好地運用到醫(yī)學(xué)、生產(chǎn)及生活等方面上，為人類發(fā)展作出貢獻。

［1］ 周濤, 徐向榮, 徐浩, 等. 基于滲透壓理論對細(xì)菌生物膜生長的研究［J］. 井岡山大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版, 2014, 5：33-37.

［2］Simoes M, Mergulhao F. Biofilms in Bioengineering［M］. New York：Nova Science, 2013：85-122.

［3］ Brelles-Mari?o G, Bedmar EJ. Detection, purification and characterization of quorum-sensing signal molecules in plant-associated bacteria［J］. Biotechnology, 2001, 91（2-3）：197-209.

［4］Nealson KH, Platt T, Hastings JW. Cellular control of the synthesis and activity of the bacterial luminescent system［J］. Bacteriology, 1970, 104（1）：313-322.

［5］ 陳 靜, 劉顯軍, 邊連全, 等. 細(xì)菌生物膜及細(xì)菌群體感應(yīng)系統(tǒng)的研究進展［J］. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué), 2010（5）：32-33.

［6］ 周寧一. 環(huán)境因素對細(xì)菌群體感應(yīng)的影響［J］. 微生物學(xué)通報, 2015, 42（2）：436-436.

［7］ Tay SB, Yew WS. Development of quorum-based anti-virulence therapeutics targeting gram-negative bacterial pathogens［J］. Molecular Sciences, 2013, 14（8）：16570-16599.

［8］ Liaqat I, Bachmann RT, Edyvean RG. Type 2 quorum sensing monitoring, inhibition and biofilm formation in marine microrganisms.［J］. Current Microbiology, 2014, 68（3）：342-351.

［9］ Wu D, et al. Sodium houttuyfonate affects prod-uction of N-acyl homoserine lactone and quorum sensing-regulated genes expression in Pseudomonas aeruginosa［J］. Front Microbiol, 2014, 5：635.

［10］ 梁心琰, 阮海華. 細(xì)菌群體感應(yīng)及其在病原菌防治中的應(yīng)用［J］. 生物技術(shù)通報, 2015（1）：33-38.

［11］ 張曉兵, 府偉靈. 細(xì)菌群體感應(yīng)系統(tǒng)研究進展［J］．中華醫(yī)院感染學(xué)雜志, 2010, 20（11）：1639-1642.

［12］ 郭靜, 李慕巖, 孫朋, 等. 細(xì)菌群體感應(yīng)及其研究進展［J］.國際檢驗醫(yī)學(xué)雜志, 2012, 1（1）：58-60.

［13］ Lee P, Tiina A, Andres M. Quorum sensing and expression of virulence in pectobacteria［J］. Sensors, 2012, 12（3）：3327-3349.

［14］ Byoung-Heon K, Fang X, Ramona P, et al. Developmental control of apoptosis by the immunophilin aryl hydrocarbon receptorinteracting protein（AIP）involves mitochondrial import of the surviving protein［J］. J Biol Chem, 2011, 286：16758-16767.

［15］ 王楠, 魏云林, 唐兵, 等. 群體感應(yīng)及其介導(dǎo)的抗噬菌體研究進展［J］. 中國微生態(tài)學(xué)雜志, 2014, 26（1）：114-118.

［16］ 陳樹林, 黃彬. 銅綠假單胞菌群體感應(yīng)系統(tǒng)的研究進展［J］.中國微生態(tài)學(xué)雜志, 2012, 24（12）：1140-1142.

［17］ Atkinson S, Williams P. Quorum sensing and social networking in the microbial world［J］. J R Soc Interface, 2009, 6：959-978.

［18］ 崔艷華, 曲曉軍, 董愛軍, 等. 細(xì)菌群體感應(yīng)系統(tǒng)的研究［J］.生物技術(shù)通報, 2009（4）：50-54.

［19］ 王立燕, 劉永生. 細(xì)菌群體感應(yīng)種類及其信號分子的研究進展［J］. 中國預(yù)防獸醫(yī)學(xué)報, 2015, 4：318-320.

［20］ 許玉彬, 張穎, 王淼, 等. 細(xì)菌群體感應(yīng)研究進展［J］. 河南農(nóng)業(yè)科學(xué), 2013, 12（12）：16-19.

［21］ Rutherford ST, Bassler BL. Bacterial quorum sensing：its role in virulence and possibilities for its control［J］. Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine, 2012, 2（11）：705-709.

［22］ Antunes LC, Ferreira RB, Buckner MM, et al. Quorum sensing in bacterial virulence［J］. Microbiology, 2010, 156：2271-2282.

［23］ 葉姜瑜, 譚旋, 呂冰, 等. 細(xì)菌群體感應(yīng)現(xiàn)象及其在控制膜生物污染中的應(yīng)用［J］. 環(huán)境工程, 2013, S1：196-199.

（責(zé)任編輯 狄艷紅）

Research Progress on Quorum Sensing System of Bacterial Biofilm

ZHANG Shu-mei1XU Xiang-rong1XU Hao2
（1. College of Mechanical Engineering，Anhui University of Technology，Ma’anshan 243032； 2. College of Mathematical Science and Engineering，Anhui University of Technology，Ma’anshan 243032）

The quorum sensing system of bacterial biofilm is the one that the bacteria secrete signaling molecules and sense their concentration of the surrounding environment so that to regulate the expressions of certain specific genes，and to change some physiological functions and life habits of bacteria. It is one of the main regulatory mechanisms in bacteria. Based on the research of the bacterial biofilm’s quorum sensing，we can understand its internal mechanism and features，and find the best way to inhibit harmful effects of biofilms. This review focus on bacterial biofilm’s quorum sensing，such as the types，the characteristics and the related applications.

bacteria；biofilm；quorum sensing；signal molecules

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2016.12.004

2016-05-10

國家自然科學(xué)基金項目（31300125）

張曙梅，女，碩士研究生，研究方向：生物力學(xué)；E-mail：zsmzsw118@sina.com

徐向榮，男，教授，研究方向：生物力學(xué)及機器人運動軌跡規(guī)劃；E-mail：xuxr@ahut.edu.cn