细菌生物膜群体感应系统研究进展

张曙梅徐向荣徐浩

（1. 安徽工业大学机械工程学院，马鞍山 243032；2. 安徽工业大学数理学院，马鞍山 243032）

细菌生物膜群体感应系统研究进展

张曙梅1徐向荣1徐浩2

（1. 安徽工业大学机械工程学院，马鞍山 243032；2. 安徽工业大学数理学院，马鞍山 243032）

细菌生物膜群体感应系统是指细菌通过分泌信号分子并通过感知其在周围环境中的浓度，调控某些基因的特异性表达及生理功能和生活习性的系统，是细菌生命活动的主要调控机制之一。通过对细菌生物膜群体感应的研究，可以了解其内部机理和特性，从而找到抑制生物膜有害作用的最好方法。对细菌生物膜群体感应系统的种类、特征和相关应用的研究进行综述。

细菌；生物膜；群体感应；信号分子

细菌生物膜（bacterial biofilm，BBF）是一类或多类细菌为了更好的适应自身所处的自然环境所形成的，可以使同类或者多类细菌之间相互合作从而生成特定的成分及特定的结构，其形状如膜状且不可逆地附着于载体的表面，主要的组成成分是多糖蛋白复合物［1］。为了更好的适应环境，细菌都会优先选择形成生物膜而不是成为浮游细菌。在生物膜中，细菌分泌的胞外聚合物（extracellular polymeric substances，EPS）可以保护细菌免于外界恶劣环境的影响，为细菌生长提供一道天然的有利屏障。

群体感应（quorum sensing，QS），即细菌与细菌之间的交流体制［2］。QS的概念最初在1994年，由Fuqya等提出［3］，而首次发现QS现象的是Nealson等［4］通过对海洋费氏弧菌（Vibrio fischeri）的发光现象的研究。随后科学家们证实了这种交流体制普遍存在于各种细菌中，并且发现此体制的正常运行需要一些可溶性的小分子信号分子作为信息载体，也称为自体诱导物（auto-Inducer，AI）。细菌生物膜一旦检测到周围细菌的数量和浓度达到特定的阈值时，细菌便会通过所分泌的信号分子发出相应的信号，诱导细菌中特异性基因的表达，协调改变细菌之间的行为方式，一同体现细菌的相关生理特征，从而表现出单个细菌所无法独立完成的某些生理功能和反应。因为QS现象只有在细菌浓度达到

一定阈值后才能诱导发生，故此现象也被称为细胞密度依赖的基因表达（cell density dependent control of gene expression）。细菌QS系统可以保证细菌生物膜正常生长时所需营养物质的运输和所产废物的排出，避免因其过度生长而造成的生存空间和营养物质的缺乏，从而保证细菌生物膜生理功能的正常体现［5］。其次，QS系统参与调控细菌的多种生活习性及生理过程，如生物体的发光、Ti质粒的接合与转移、生物膜的形成与稳定生长、细菌细胞的分化、抗生素的形成、胞外多糖的产生、病原微生物的毒性、细菌与生物体的共生等［6，7］。因此，对细菌QS系统的研究受到医疗医学、环境保护、生物工程、农业工程、食品科学、仿生制造等领域研究者越来越多的关注［8，9］。本文主要介绍了QS的相关理论知识，详细说明了QS的分类以及特征，通过对QS内部机理和习性的全面了解，从而找到抑制或消除细菌生物膜有害作用的最有效方法。

1 细菌QS系统分类

细菌QS系统的正常工作需要依靠细菌产生的信号分子，根据细菌QS系统的作用范围，可将其分为种内QS系统和种间QS系统；根据细菌产生的信号分子，可大致分为革兰氏阴性菌QS系统、革兰氏阳性菌QS系统、混合型QS系统［10，11］三类。

1.1 革兰氏阴性菌QS系统

革兰氏阴性细菌QS系统是现今研究最多的一类，其分泌的信号分子是一些小分子内酯类分子，大部分由AHLs（N-Acyl homoserine lactones）担当。AHLs是一类特殊的具有水溶性和膜透过性的两亲性化合物，可以利用扩散作用自由穿越或通过特定的转运通道（LuxI/R，其中LuxI是AHLs合成酶，LuxR是调节蛋白）到达胞外，并在周围环境中逐渐累积［12］。当细菌细胞处于低浓度环境时，AHLs便会沿着浓度梯度的方向主动的扩散，随着内外浓度差的不断缩小，自由扩散作用慢慢减弱，直至细胞内外浓度大致相同。当AHLs浓度达到特定阈值时，某些功能基因便会开始诱导表达［13］（图1）。

图1 革兰氏阴性菌QS系统

1.2 革兰氏阳性菌QS系统

革兰氏阳性菌QS系统的信号分子一般是寡肽类物质AIPs（autoinducing peptides），调控过程主要包括AIPs的合成、加工、分泌以及细菌对AIPs的信号响应等，其信号识别系统是双组分信号转导系统（two component system，TCS），细菌通过该系统来调控体内相关基因的表达［14］（图2）。因为AIPs不能自由穿透细胞壁出入细胞，因此便需要借助其他系统，如ABC（ATP-binding-cassette）转运系统或其他膜通道蛋白，通过这些系统的作用才能到达胞外行使特有的信号功能［15］。

图2 革兰氏阳性菌QS系统

1.3 混合型QS系统

自然界中，在一个狭小的空间内往往存在多种细菌，故除了需要种内的QS系统，种间的QS系统也同样必不可少［16］。有研究发现某些信号分子不仅可以存在于一类细菌中，如革兰氏阴性菌，同样也会在另一类细菌中检测到，如革兰氏阳性菌，通过这类信号分子诱导基因表达的系统则被称为混合型QS系统。混合型QS系统不仅可以帮助细菌了解自身群体在周围环境中的浓度变化，而且还可以清楚的了解到周围其他细菌的浓度变化；其次，混合型QS系统在种间产生信号分子后的反应与种内的不同，种间的信号分子可以帮助细菌根据其在周围环境中的浓度判断自己的等级，借此来适当调整细菌自身的生理行为。因此，可同时在多类细菌中生成和存在的信号分子便可作为细菌种间交流的桥梁和工具，即作为一种通用的信号分子来进行不同细菌间的信息交流。混合型QS系统一般都具有两条平行的感应路径，这两条路径均能独立地将信息传递给各自的感应调控处，诱导各自的基因表达［17］。

2 细菌QS系统的特征和原则

细菌QS系统普遍存在于各类细菌中，虽然不同细菌的QS系统依靠不同的信号分子，不同的信号分子诱导不同的基因表达，但是各类QS系统表现出来的特点特征以及存在的原则却是基本相同的。

2.1 细菌QS系统的特征

细菌QS系统的特征从以下7个方面描述［18，19］，分别是：（1）分布广泛：QS系统不仅可以存在于细菌中，同样也可以存在于真菌、植物、动物等生物中；（2）信号分子种类繁多：不同的QS系统会分泌不同的信号分子，即使相同的QS系统也会同时分泌两种甚至3种信号分子，迄今已发现包括AHLs、AIPs在内多种信号分子；（3）信号分子具有多重功能：在QS系统中，各种信号分子不仅仅只具有对环境做出反应的功能，有的信号分子还具有一定的抗菌活性，有的信号分子则可以参与物质的运输。其他异类细菌可以生成同类的信号分子，但此类信号分子调节的生活习性和生理功能却是不相同的。这种调节机制有利于异类细菌之间的交流和联系，以确保其本身在周围生存环境中的有利位置；（4）信号分子生成机制各异：不同类的QS系统具有不同的信号分子生成机制，例如革兰氏阴性菌QS系统信号分子的产生依靠的是胞内蛋白酶催化相关蛋白结合生成AHLs，而革兰氏阳性菌QS系统信号分子则一般由细菌体内产生的前导肽经加工、修饰成为成熟的寡肽信号分子AIPs；（5）信号分子转运机制不同：有的信号分子的转运需要专门的运输系统，如因AIPs不能自由的穿透细胞壁，故需借助于ABC转运系统或 其他膜通道蛋白作用方可到达细胞外行使特异性功能，而AHLs则不需要任何转运工具就可以自由出入细胞膜；（6）信号感应机制多样：革兰氏阳性菌QS系统是通过双组分的感应蛋白感受周围环境的变化，然后对AIPs进行感应，从而调控相关基因的表达，诱导相关生理特征的发生，而革兰氏阴性菌QS系统的AHLs则是直接与受体蛋白结合，从而启动相关基因的转录，使某些生理功能得到体现；（7）不同QS系统之间关系复杂：有的细菌体内同时共存着两套甚至三套QS系统，有的QS系统间具有等级的调控效应，而有的则有着优先的诱导顺序。不同的QS系统共同构成了一个复杂的调控网络，共同调控着细菌的多种生理反应和生理特征，从而提高了细菌在环境中的生存率。

2.2 细菌QS系统的原则

细菌QS系统主要有4个基本原则［20-22］：（1）细菌所在群体中的每个个体都能分泌产生信号分子，只有分泌足够的信号分子使其浓度达到阈值才能诱导相关基因的特异性表达，QS系统才能发挥功能。（2）细菌分泌产生的信号分子需要在细胞内外环境中自由扩散，广泛分布于细菌生存的环境中；（3）受体需要实时的了解环境中信号分子的浓度，一旦信号分子的浓度达到阈值，受体需要马上诱导相关的基因进行下一步的活动；（4）QS系统的一些相关基因能够在接受受体诱导后及时表达，同时通过这种机制促进细菌群体中每个个体保持一致性。

3 细菌QS系统的应用

细菌QS系统可以促进细胞之间的信息交流，同时也是生物膜形成与稳定生长至关重要的影响因素，因此研究细菌的QS系统，可以帮助我们了解细菌与细菌、细菌与环境之间的交流与联系，从而利用QS系统来控制细菌的生活习性和生理功能。

应用QS系统可以抑制疾病的传播，这也是细菌QS系统最主要的应用。首先，通过QS系统抑制相关致病信号分子的分泌与累计，或者生成令信号分子灭活的信号分子降解酶，从而抑制了致病基因的表达，降低细菌的感染能力；其次，由于QS系

统的信号分子参与细菌生物膜形成的分化阶段，故可以通过抑制QS反应来干扰细菌生物膜的正常形成过程，从而减弱细菌对药物的抗药性，缩减细菌的生命周期；再次，通过合成QS系统的信号分子类似物，使其与真正的信号分子竞争同环境中的受体蛋白结合的机会，破坏细菌的调控机制，从而抑制其QS系统的正常功能，使病原菌失去致病力［23］。

4 结语

QS系统是细菌主要的调控和交流机制，细菌利用其可以方便的感知周围环境中自身或其他细菌的浓度变化，并借此来调控细菌内某些特定基因的表达，从而改变细菌的某些生理功能和生活习性，抑制或消除细菌的有害作用。但是，由于QS系统分布面广，信号分子的种类和功能多样，各机制之间的协调关系各异，且不同QS 系统之间关系复杂，所以迄今为止人们对其认识还不够全面。因此，我们应尝试多种方法，如建立数学模型模拟QS系统来掌握细菌QS系统的机理，了解影响其作用的因素，从而探明如何控制QS系统才能准确高效的达到我们的目的。只有在充分了解如何调控细菌的QS系统的基础上，才能将其更好地运用到医学、生产及生活等方面上，为人类发展作出贡献。

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（责任编辑 狄艳红）

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

国家自然科学基金项目（31300125）

张曙梅，女，硕士研究生，研究方向：生物力学；E-mail：zsmzsw118@sina.com

徐向荣，男，教授，研究方向：生物力学及机器人运动轨迹规划；E-mail：xuxr@ahut.edu.cn