微生物群体感应系统
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群体感应抑制剂控制微生物污染的研究进展近年来,微生物污染在医疗、食品、饮用水等领域成为一个备受关注的问题,同时也引起了严重的卫生和经济问题。
传统方法常使用化学药剂对微生物进行控制和消除,但随着对环境保护意识的提高,该方法的应用范围越来越受到限制。
而群体感应抑制剂的出现,为控制微生物污染提供了新思路。
本文通过综述国内外有关群体感应抑制剂控制微生物污染的研究进展,以期为相关学科的研究提供借鉴和参考。
一、群体感应抑制剂的定义和作用机制群体感应抑制剂是一类能够抑制微生物群体感应的物质。
群体感应是微生物细胞间的一种细胞信号传递系统,具有在同一群体内调节基因表达、控制生长和代谢等生理功能的作用。
而群体感应抑制剂则可以干扰这种信号传递系统的正常运作,从而抑制微生物的群体感应和生长。
群体感应抑制剂可以通过多种途径干扰微生物的群体感应系统,例如:(1)光化学物质——例如紫外线、光敏剂等;(2)植物提取物——例如咖啡因、香草酸等;(3)海洋生物——例如藻类、海绵体等;(4)化合物合成——例如多肽、二元素等。
通过上述途径干扰微生物的群体感应系统,可以达到控制微生物生长和繁殖的目的,从而实现对微生物污染的控制。
二、群体感应抑制剂在医疗领域的应用在医疗领域,微生物的感染容易导致严重的健康问题。
传统的抗生素治疗方法存在多种局限性,例如抗生素对特定微生物的敏感性、多重耐药等问题。
群体感应抑制剂作为一种新的治疗方法,可以提供一种替代性的治疗方案。
目前已有多种群体感应抑制剂被应用于医疗领域。
1、肽类群体感应抑制剂肽类群体感应抑制剂是一种与肽类抗生素相近的化合物,具有广谱的抑菌作用。
例如已有报道表明,培养基中添加巴西牛樟脑(HD-034)、庆大霉素类似物(NSTA-4)等肽类群体感应抑制剂,可以抑制病原性菌种的生长、繁殖和生产外毒素等。
2、天然产物群体感应抑制剂天然产物群体感应抑制剂是利用植物、动物等自然界的资源,通过提取和化学合成等方法获得的有效成分。
细菌能自发产生、释放一些特定的信号分子,并能感知其浓度变化,调节微生物的群体行为,这一调控系统称为群体感应。
细茵群体感应参与包括人类、动植物病原茵致病力在内的多种生物学功能的调节。
简介群体感应(Quorum-Sensing):近年来的研究证明细菌之间存在信息交流,许多细菌都能合成并释放一种被称为自诱导物质(autoinducer,AI)的信号分子,胞外的AI 浓度能随细菌密度的增加而增加,达到一个临界浓度时,AI能启动菌体中相关基因的表达,调控细菌的生物行为。
如产生毒素、形成生物膜、产生抗生素、生成孢子、产生荧光等,以适应环境的变化,我们将这一现象称为群体感应调节(quorum sensing.QS)。
这一感应现象只有在细菌密度达到一定阈值后才会发生,所以也有人将这一现象称为细胞密度依赖的基因表达(cell density de- pendent control of gene expression)。
[1]自身诱导物质AI细菌可以合成一种被称为自身诱导物质( auto-inducer .AI ) 的信号分子,细菌根据特定的信号分子的浓度可以监测周围环境中自身或其它细菌的数量变化,当信号达到一定的浓度阈值时,能启动菌体中相关基因的表达来适应环境的变化,如芽胞杆菌中感受态与芽胞形成、病原细菌胞外酶与毒素产生、生物膜形成、菌体发光、色素产生、抗生素形成等等。
根据细菌合成的信号分子和感应机制不同,QS系统基本可分为三个代表性的类型:革兰氏阴性细菌一般利用酰基高丝氨酸内酯( AHL) 类分子作为AI ,革兰氏阳性细菌—般利用寡肽类分子(Al P) 作为信号因子,另外许多革兰氏阴性和阳性细菌都可以产生一种AI - 2的信号因子,一般认为AI - 2是种间细胞交流的通用信号分子,另外最近研究发现,有些细菌利用两种甚至三种不同信号分子调节自身群体行为,这说明群体感应机制是极为复杂的。
细菌信息素的特点1,分子量小:细菌信息素都是一些小分子物质,如酰基-高丝氨酸内酯(AHL)衍生物、寡肽、伽马一丁内酯等,能自由进出细胞或通过寡肽通透酶分泌到环境中,在环境中积累。
细菌群感应系统名词解释细菌群感应系统(bacterial quorum sensing system)指的是细菌通过分泌、感应和响应特定的信号分子来实现细菌之间的群体通讯和协作的一种机制。
以下是与细菌群感应系统相关的一些重要名词解释:1.信号分子(Signaling Molecules):也称为自动感应物质(autoinducers),是由细菌分泌的低分子量化合物,用于在细菌群体中传递信息和触发特定的细胞响应。
2.信号接收器(Signaling Receptors):指细菌细胞上的膜受体或细胞内的受体蛋白,用于感知和结合外源性信号分子,从而激活特定的信号传导路径。
3.感应子基因(Inducer Genes):是受到细菌群感应系统的调控的基因,其表达在细菌接收到特定的信号分子后被激活或抑制。
4.强度阈值(Threshold Level):指在细菌群体中信号分子的积累达到一定浓度,触发特定的细胞响应。
这个浓度被定义为感应子浓度阈值,用于区分单独细菌与群体感应响应之间的差异。
5.协同行为(Cooperative Behavior):指在细菌群感应系统的调控下,细菌群体内的个体之间通过相互协作和协调来实现集体行为,如生物膜形成、生物降解、生物攻击等。
6.信号瓶颈(Signal Quenching):指细菌内生产的酶或其他分子机制,用于降解或破坏外源性信号分子,从而调控群体通讯的频率和强度。
细菌群感应系统在细菌生物学中具有重要的意义,它们在维持细菌种群动态平衡、环境适应和感染病原性方面发挥着重要作用。
对细菌群感应系统的研究有助于理解细菌社会行为以及开发新型抗菌治疗方法。
细菌群体感应在微生物生态系统中的作用研究细菌群体感应是一种自协调的细菌行为,细菌通过分泌信号分子来与它们周围的同种细菌进行通信,并协同地做出响应。
这种协作行为有助于建立细菌社区,并有助于它们在复杂的微生物生态系统中生存和繁殖。
本文将讨论细菌群体感应在微生物生态系统中的作用,并探讨该领域目前的研究进展。
1. 细菌群体感应的基本原理细菌群体感应是一种通过细菌间分泌的信号分子进行交流的行为,这些分子可以传递不同的信息,例如细胞密度、群体方向、环境变化等。
在感应过程中,当一定数量的信号分子被积累到足够数量时,细菌将协调做出共同的行为。
例如,一些细菌会通过群体感应来形成生物膜,从而形成细菌社区,或者来协同合成一些生物活性物质,如光合色素、激素、抗生素等。
这些共同的行为有助于细菌在微生物生态系统中生存和繁殖。
2. 细菌群体感应在微生物生态系统中的作用细菌群体感应在微生物生态系统中起着至关重要的作用。
首先,它有助于细菌建立稳定的细菌社区,并与其他细菌、微生物甚至宿主紧密相连。
这些细菌社区有时会形成生物膜,从而能够更好地抵御环境压力。
其次,它有助于细菌在微生物生态系统中发挥“分工协作”的作用,不同种类的细菌能够通过群体感应来分布不同的环境和角色,以最大化资源利用率并优化生态系统。
另外,细菌群体感应还发挥着各种生态学角色。
例如,在土壤微生物系统中,细菌群体感应可以促进植物生长和根际土壤释放养分。
一些细菌群体感应所产生的代谢产物还被发现对宿主免疫反应和免疫功能具有重要意义。
此外,细菌群体感应还被认为是生态系统中细菌和其他生物之间相互作用的重要媒介,它能够帮助生物维持相互联系并参与生态系统的稳定性。
3. 细菌群体感应的研究进展目前,细菌群体感应的研究进展日新月异。
这是因为细菌群体感应在医学、环境保护、农业等领域都有重要应用价值。
例如,在医学中,对细菌群体感应的深入研究能够有助于探索新型抗生素的生产和应用;环境保护中,它可以帮助减少有毒物质的生产和释放,改善微生物生态环境;在农业中,它能够协助控制农业害虫和植物病害。
第17卷第3期2019年5月生㊀物㊀加㊀工㊀过㊀程ChineseJournalofBioprocessEngineeringVol 17No 3May2019doi:10 3969/j issn 1672-3678 2019 03 002收稿日期:2019-01-21㊀修回日期:2019-04-07作者简介:周㊀朋(1994 ),男,江苏盐城人,硕士研究生,研究方向:食品微生物;董明盛(联系人),教授,E⁃mail:dongms@njau.edu.cn;吴俊俊(联系人),副教授,E⁃mail:wujunjun1987@163.com引文格式:周朋,王喆,包美娇,等.微生物群体感应系统的调控机制及应用研究进展[J].生物加工过程,2019,17(3):236-243.ZHOUPeng,WANGZhe,BAOMeijiao,etal.Progressintheregulationmechanismandapplicationofmicrobialquorumsensingsystem[J].ChinJBioprocessEng,2019,17(3):236-243.微生物群体感应系统的调控机制及应用研究进展周㊀朋,王㊀喆,包美娇,董明盛,吴俊俊(南京农业大学食品科技学院,江苏南京210095)摘㊀要:微生物通过群体感应监控范围内菌体数量并调节其自身相关基因的启动表达,进而完成对质粒的接合转移㊁毒力因子的表达㊁抗生素的产生和稳定期的进入等一系列相关生命活动的控制,因此群体感应对细菌群体的稳定有重要作用,随着对群体感应系统研究的深入,群体感应相关基因元件及调控原理逐渐清晰,也有许多群体感应系统被应用于实践中㊂本文中,笔者综述了几种当今研究比较清楚且有代表性的微生物群体感应系统及其调控元件,并且介绍了利用群体感应相关元件构建基因开关实现代谢流的动态调控,以及利用致病菌的群体感应实现微生物的检测及杀灭的应用㊂关键词:群体感应;代谢流调控;致病菌防治;食品保鲜中图分类号:Q935㊀㊀㊀㊀文章编号:1672-3678(2019)03-0236-08ProgressintheregulationmechanismandapplicationofmicrobialquorumsensingsystemZHOUPeng,WANGZhe,BAOMeijiao,DONGMingsheng,WUJunjun(CollegeofFoodScienceandEngineering,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210095,China)Abstract:Microorganismsregulatetheexpressionofrelatedgenesincellsinthecommunitythroughquorumsensing,therebyachievingcontrolofaseriesofrelatedlifeactivitiesincludingtheproductionofvirulencefactors,thebiosynthesisofantibiotics,theconjugationofplasmids,andtheentryofstablephases.Ithasimportanteffectonthestabilityofthebacterialpopulation.Withthedevelopmentoftheresearchonthequorumsensingsystem,thequorumsensingrelatedgenecomponentsandregulatoryprinciplesaregraduallyclarified,andmanyquorumsensingsystemsarealsoapplied.Thispaperreviewsseveralmicrobialquorumsensingsystemsandregulatorygenesthatarewell⁃knownandrepresentativeincurrentresearch,andintroducestheuseofquorumsensingrelatedcomponentstoconstructgeneswitchestoachievedynamicregulationofmetabolicfluxesandtheuseofpathogenicbacteriaᶄsquorumsensingtoachievemicrobialdetectionandkilling.Keywords:quorumsensing;dynamicregulation;pathogencontrol;foodpreservation㊀㊀微生物之间可以通过自身合成特殊的信号分子,以实现种内和种间的交流,来启动特定基因的表达,从而控制整个群落的状态,目前一般将这种现象称为群体感应(quorumsensing,QS)㊂自体诱导物(autoinducer,AI)[1-2]是具有扩散性,且可以被微生物感应到的信号分子㊂AI的浓度会随着细胞密度的增加而不断提高,达到一定的浓度后,可以和胞内的受体蛋白相结合形成信号分子 受体蛋白复合体,复合体可以和QS系统启动子结合,并调节下游控制细胞群落密度的基因的表达量㊂因此,AI可以视作微生物之间交流的语言,不同种类微生物的语言不同㊂革兰氏阴性菌中的AI通常为酰基化的高丝氨酸内酯类化合物(acyl⁃homoserineLactone,AHL)[3-4]㊂在革兰氏阳性菌中的AI为氨基酸和短肽类物质(autoinducingpeptides,AIPs)[2,5]㊂革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌均可以感应由luxS基因表达产生的4,5二羟基2,3戊二酮(AI2)系列的自体诱导物分子,实现革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌种间的交流[6]㊂本文中,笔者介绍了革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌的代表性群体感应系统以及群体感应系统在动态学调控㊁致病菌防治以及食品防腐领域的研究现状㊂1㊀代表性的群体感应系统费氏弧菌以及铜绿假单胞菌均为革兰氏阴性菌,通过AHL类信号分子调控群体感应;粪肠球菌以及金黄色葡萄球菌均为革兰氏阳性菌,通过AIP类信号分子调控群体感应㊂它们的群体感应系统目前研究得比较清晰,并且非常有代表性,在发酵工程动态调节㊁致病菌防治等领域也多有应用,因此本文中,笔者选择这4株菌作为代表,简介其QS系统及相关基因调控元件㊂1 1㊀费氏弧菌的LuxI/R群体感应系统来自海洋的发光细菌费氏弧菌(Vibriofischeri)是一种革兰氏阴性菌,通过高丝氨酸内脂介导的QS调节生物发光,并且借助这一特性和许多真核宿主建立起共生关系㊂费氏弧菌群体感应系统如图1所示㊂费氏弧菌中的LuxI/R群体感应系统由luxicdabe㊁luxr两个操纵子组成[2,7]㊂luxi负责编码信号分子蛋白LuxI,参与信号分子3oxoC6HSL的合成,正常情况下有痕量表达㊂luxr负责编码信号分子受体蛋白LuxR,LuxR和信号分子结合后结构发生改变,可以结合到luxr㊁luxi基因中间的启动子区,启动下游luxab基因负责编码的荧光素酶亚基基因的表达,同时抑制luxr基因的继续表达,形成负反馈㊂荧光素酶表达后催化费氏弧菌胞内的分子氧将长链的脂肪醛和还原态的黄素单核苷酸氧化为长链脂肪酸,同时释放出最大发光强度波长位于450 490nm的蓝绿光㊂在海水中时,费氏弧菌的浓度较低,其周围的信号分子浓度也较低,因此合成荧光素酶的基因关闭,细菌不发光;当费氏弧菌附着于鱼类或乌贼等海洋生物上时,菌体密度达到一定的程度,荧光素酶基因被强力启动,细菌发出荧光㊂在费氏弧菌的宿主夏威夷短尾鱿鱼上费氏弧菌可能达到109 1010个/cm3的细胞密度,费氏弧菌利用宿主体内丰富的营养物达到相当高的群落密度,发出的荧光又会为宿主吸引到猎物或者摆脱捕食者追捕,两者借此互利共生[8]㊂图1㊀费氏弧菌群体感应系统Fig 1㊀QuorumsensingsystemofVibriofischeri1 2㊀铜绿假单胞菌的LasRhl群体感应系统铜绿假单胞菌(Pseudomonasaeruginosa)是一种常见的病原菌,属于革兰氏阴性,通过高丝氨酸内酯介导的QS系统调控其生命活动过程[9-10],包括毒力因子的表达㊁生物膜的形成㊁抗生素排出泵的表达以及运动性等㊂铜绿假单胞菌群体感应系统如图2所示㊂铜绿假单胞菌的群体感应系统是费氏弧菌群体感应系统研究的延伸,铜绿假单胞菌QS系统相关元件和费氏弧菌LuxI/R系统有显著的同源性,但是铜绿假单胞菌的QS系统更为复杂㊂铜绿假单胞菌QS是一个复杂的层次网络[11],包含了Las和Rhl两套QS系统,它们相互独立又相互关联㊂Las系统中[12-13],lasi基因控制信号分子3OC12HSL(PAI1)的形成,信号分子合成后分泌到胞外环境,当累积到一定的浓度后会和LasR结合并激活大量毒力因子基因表达㊂包括:lasB㊁lasA㊁apr㊁toxA和732㊀第3期周㊀朋等:微生物群体感应系统的调控机制及应用研究进展lasI自身[14-17],实验证明缺失有活性的LasR蛋白的铜绿假单胞菌对动物无害㊂Rhl系统中[18-19],rhl催化NbutyrylLHSL(PAI2)的合成,该信号分子和RhlR结合后可以激活负责鼠李糖脂合成的rhlAB基因㊁负责信号分子蛋白合成的rhli基因和lasB基因的表达㊂Rhl系统也负责一些毒力因子表达[20-22],包括绿脓菌素㊁氰化物和几丁质等㊂这两个系统之间存在级联调控关系,Las系统控制转录激活蛋白RhlR的表达,因此Rhl系统控制的基因需要有完整且有活性的Las系统才能被完全激活[23-24]㊂两种系统同时调节多种基因表达[15,22,25-28],包括合成弹性蛋白酶㊁分泌蛋白㊁过氧化氢酶㊁外毒素㊁外凝集素㊁酰基高丝氨酸内酯和超氧化物歧化酶等多种毒力因子基因的表达㊂PAIⅠ会阻碍PAIⅡ和RhliR的结合,确保两套系统分别在合适的时间运行[2]㊂图2㊀铜绿假单胞菌群体感应系统Fig 2㊀QuorumsensingsystemofPseudomonasaeruginosa1 3㊀金黄色葡萄球菌的Agr群体感应系统金黄色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)是一种非常常见的人类致病菌,属于革兰氏阳性,金黄色葡萄球菌群体感应系统如图3所示㊂它的Agr群体感应系统的核心agr操纵子包括一个编码的自诱导肽(autoinducingpeptides,AIPs)AgrD的基因agrD㊁一个负责编码加工蛋白(AgrB)的基因agrB㊁一个编码组氨酸激酶感应器(AgrC)的基因agrC和一个编码反应调节器(AgrA)的基因agrA㊂AgrD是一种自诱导肽,负责QS系统的调控,在正常情况下保持较低的表达量,其可以被膜蛋白AgrB加工,截短成只保留活性肽段的AIP并不断分泌到胞外,胞外的AIP浓度不断增加最终达到临界阈值后会被膜蛋白AgrC部分感知㊂然后AgrC膜蛋白会发生磷酸化,并将反应调控子AgrA磷酸化,磷酸化后的AgrAP结合到agrABCD上游的启动子区域,形成正反馈,启动agrABCD基因和其他受Agr调控系统控制基因的表达[3]㊂图3㊀金黄色葡萄球菌群体感应系统Fig 3㊀QuorumsensingsystemofStaphylococcusaureus1 4㊀粪肠球菌的Fsr群体感应系统粪肠球菌的群体感应系统为Fsr系统[29],如图4所示㊂核心的fsr操纵子包含了fsrA㊁fsrB和fsrC3个基因,fsrA基因转录合成反馈调节肽FsrA,fsrB和fsrC一个编码加工蛋白(FsrB),一个编码组氨酸激酶感应器(FsrC),两者共同构成一个操纵子㊂fsrB编码的膜蛋白FsrB会加工Gelatinasebiosynthesisactivatespheromones(GBAP)并释放到胞外㊂FsrC位于细胞膜上,可以协助GBAP进入细胞㊂粪肠球菌从指数期到稳定期的过程中,GBAP不断积累,当GBAP浓度达到启动子检测阈值,处于fsr操纵子下游编码白明胶酶和丝氨酸蛋白酶的gelE和sprE基因分别被诱导启动㊂不同于Agr系统,Fsr系统的启动是通过GBAP使FsrA发生磷酸化后直接和各个基因相对应的启动子相结合,启动下游基因的转录,而不涉及其他的信号分子的加工㊂相对的,当粪肠球菌数量较少,体系中的GBAP浓度低于一定的值时,FsrA会抑制fsrBfsrC和gelEsprE基因的表达㊂2㊀群体感应系统的应用2 1㊀利用群体感应系统调节代谢流发酵工程菌负责合成大量重组蛋白,构建人工代谢通路,如果在培养起点就启动蛋白表达会对菌832生㊀物㊀加㊀工㊀过㊀程㊀㊀第17卷㊀图4㊀粪肠球菌群体感应系统Fig 4㊀QuorumsensingsystemofEnterococcusfaecalis体带来巨大的负担,使菌株无法达到良好的生长状态㊂菌株的不良状态会影响最终的产量[30]㊂因此,前人通过引入各式诱导表达调控系统实现转录水平的调控,其中以受IPTG诱导的T7表达系统应用最为广泛㊂传统的诱导表达调控系统有许多优点,包括能通过调节诱导剂浓度调节基因表达强度㊁通过控制诱导剂添加时间控制基因表达的启动以平衡菌体的生长和产物的合成等㊂但是传统的诱导表达调控系统也有许多缺点[31],包括无法实现动态调控㊁对细胞状态无法及时反馈等㊂另外,诱导剂价格不菲且对细胞有一定的毒性,这阻碍了其在工业化中的推广[32]㊂解决这一问题的方法之一就是在发酵菌株内引入动态代谢途径调控系统来控制途径基因的表达㊂已经有许多这方面的尝试[33]㊂Farmerw等[34]通过在大肠杆菌体内构建一个乙酰磷酸的感应器调节番茄红素的合成㊂Dahl等[35]在大肠杆菌中构建了一个感应有毒中间代谢产物焦磷酸法尼酯的压力反馈感应器,使终产物青蒿素前体紫穗槐二烯产量提升了2倍,且避免了IPTG的添加㊂Soma等[36]通过在Plux启动子中插入lacO操纵子构建了一个可以响应于IPTG浓度的杂合启动子,实现了异丙醇生物合成的动态调控㊂有研究利用枯草芽孢杆菌中存的在丙二酰辅酶A调控系统设计了响应丙二酰辅酶A浓度的负反馈调节系统,提高了脂肪酸的产量[37-38]㊂但是这些策略缺乏普适性,需要构建与产物途径相关的感应器,无法应对复杂多变的产物需求,而群体感应系统可以通过感应范围内菌浓度并启动相应基因的表达,同时具有动态调节和通用性的优点㊂Williams等[39]在酿酒酵母中构建了一个高种群密度自动触发表达的基因开关,并通过该策略提高了莽草酸途径生产的对羟基苯甲酸的产量㊂Gupta等[40]利用Pantoeastewartii菌的群体感应系统构建了一个不依赖于代谢通路的基因控制元件,可以实现靶基因的动态调节,利用该元件筛选将糖分解代谢流重新分配到异源合成途径中的最佳时间点,使肌醇的浓度提高了5 5倍,同时使葡萄糖二酸浓度从无法检测提高到大于0 8g/L,另外还将莽草酸的浓度从不可检测提升到200mg/L㊂Anand等[41]也证明利用QS系统可以用来辅助胞外酶的生产,细胞只有在在很高的临界密度时胞外酶的产出才是占优势的,利用QS系统控制胞外酶产生使得发酵菌株在起始密度低,生长周期比胞外酶产生时间长时更具优势㊂基于群体感应的发酵工程动态调节结合发展迅速的合成生物学未来必将有更广泛的空间㊂目前,利用群体感应进行有害微生物的防治具有更多的可能性以及现实性㊂2 2㊀利用群体感应系统防治有害微生物2 2 1㊀利用群体感应防止食品腐败食品腐败是指食品在微生物作用下感官品质㊁营养品质以及卫生安全品质发生不良变化,丧失可食性的现象,每年食品腐败都导致了巨大的经济损失并且引起了严重的卫生安全问题[42]㊂研究表明特定微生物之间的QS在食品腐败全程中均有参与,相关脂肪分解酶㊁蛋白分解酶的表达,生物膜的形成都与之相关㊂QS广泛存在于各类食品腐败过程中[43-45],在牛奶㊁水果和蔬菜等各类腐败食品中均检测出了QS信号分子[46],牛奶和奶制品的腐败主要由假单胞菌和沙雷氏菌引起,肉制品的腐败主要由蜂窝哈夫尼亚菌和沙雷氏菌引起,鱼类和水产品的腐败主要由腐败希瓦氏菌和不动杆菌引起,果蔬的腐败主要由欧文氏菌㊁假单胞菌和肠杆菌引起,针对这些微生物的群体感应调控参与的腐败过程,研究人员希望通过抑制特定腐败微生物的群体感应解决食品腐败问题㊂对于细菌群体感应的抑制和干扰主要有以下3种途径[47]:抑制信号分子的合成㊁促进信号分子的降解和抑制信号分子与受体蛋白的结合,这些能够抑制微生物的群体感应效应的物质称为群体感应932㊀第3期周㊀朋等:微生物群体感应系统的调控机制及应用研究进展抑制剂(quorumsensinginhibitor,QSI)㊂目前QSI依据来源可分为天然提取和人工合成这两类[47]㊂现今常用的人工合成的QSI,如卤代呋喃酮及其衍生物虽有较强的干扰QS信号通路的活性,但是大多具有一定的毒性,有些QSI甚至可能诱变致癌,不适合应用于食品保鲜㊂考虑到食品安全问题,从食源性材料中提取QSI用于食品防腐是目前比较有效的方式㊂Shobharani等[48]针对引起牛奶腐败的假单胞菌,利用300μmol/L浓度的二氢呋喃酮阻断发酵牛奶中假单胞菌的信号交流,抑制了其毒力因子的产生,将货架期延长到了9d㊂Bai等[49]研究了孜然㊁姜黄㊁苦艾㊁延胡索㊁香肉豆蔻㊁葫芦巴以及小豆蔻等香料精油对于酰化的高丝氨酸内酯介导的群体感应和生物膜形成的影响,发现在体积分数为0 02%时孜然精油具有最好的QS抑制效果和抗生物膜形成活性,亚抑菌浓度的孜然精油通过阻碍细胞接触㊁降低细胞代谢和胞外聚合物产生抑制了假单胞菌的生物膜形成,延迟了冷冻牛奶中嗜冷性假单胞菌PSPF19引起的腐败㊂Chan等[50]从马来西亚雨林的生姜根围中分离出3株具有抑制群体感应效果的菌,分别鉴定为不动杆菌(GG2),伯克霍尔德菌(GG4)和克雷柏氏杆菌属(Se14)㊂GG2和Se14通过自身产生的内酯水解酶产生广谱的AHL降解活力从而抑制群体感应,而GG4则通过酰基转移酶改变AHL的结构实现群体感应的抑制㊂GG2和GG4也存在依赖于AHL的群体感应,它们产生的QSI对于自身的AHL以及外源的AHL均有抑制作用㊂实验证明3株菌能有效减弱人和植物内的病原菌毒力因子的表达,且能有效抑制土豆块茎中胡萝卜软腐欧文氏菌对于蛋白质的水解活性,延缓腐败㊂Truchado等[51]基于蜂蜜具有一定的抗菌活性这一研究结果,进一步探究了29种不同植物来源㊁不同地区的蜂蜜的群体感应抑制活性,发现测试蜂蜜在0 1g/mL质量的浓度下就能够抑制AHL的生成,其中栗子和椴科植物的蜂蜜具有不依赖于酚类的QS抑制活性,因此有望从蜂蜜中分离出安全且高效的QSI㊂Vattem等[52]发现从可食用的水果㊁香草等植物中分离出的食用植物素对人体有益并具有抗菌活性,亚抑菌浓度的食用植物素可以同时干扰AHL活性以及抑制AHL的合成,两种途径相结合抑制群体感应,并且食用植物素还能抑制病原菌的聚集,可用于抗菌化学疗法㊂目前QSI在食品防腐中的应用方兴未艾,更多研究者将目光聚焦于将群体感应运用于新型医疗手段的开发㊂2 2 2㊀利用群体感应系统防治致病菌抗生素因其强大的抗菌能力而被广泛应用于医学医药领域,然而,抗生素的滥用也渐渐导致越来越多新型耐药性致病菌的出现㊂抗生素渐渐变得低效[53]㊂铜绿假单胞菌极易导致免疫力低下患者的感染[54-55],呼吸道囊性纤维化患者㊁外伤烧伤患者或者需要通风的创伤患者都易感染铜绿假单胞菌并引发严重后果,在治疗过程中大量使用抗生素导致耐药性铜绿假单胞菌的出现[56]㊂根据美国疾病控制中心报告,在众多人类致病菌中,由金黄色葡萄球菌引起的感染居第二位,金黄色葡萄球菌感染已经属于世界性的卫生问题[57],其高度的适应性和传播性使得它更易产生耐药性突变,多耐药性金黄色葡萄球菌检出率不断增高[58]㊂这两种菌的致病性基因的表达都受到QS系统的监管调节,研究人员尝试通过QSI设计新型治疗方案,减少对致病菌施加的选择生存压力,减少耐药性菌株的出现㊂新加坡南洋理工大学的Ling等[59]发现铜绿假单胞菌PAO1可以编码一种新型的S型绿脓杆菌素pyocinS5,对于7株临床分离的铜绿假单胞菌具有抗菌活性㊂Saeidi等[60]基于这个发现,构建了一株能检测致病性铜绿假单胞菌并通过释放pyocinS5裂解杀灭致病菌的工程大肠杆菌,他们在大肠杆菌体内导入组成型表达的铜绿假单胞菌QS系统受体蛋白基因lasr㊁受铜绿假单胞菌QS调控表达的绿脓杆菌素基因PyocinS5以及细胞溶解酶基因LysisE7㊂大肠杆菌感应到体系内的铜绿假单胞菌QS信号分子后会启动下游基因的表达,生成可破坏铜绿假单胞菌细胞膜而对大肠杆菌无效的pyocinS5,杀死体系内的铜绿假单胞菌并将细胞溶解㊂结果显示该基因工程菌能降低生物膜的厚度,检测并杀死99%浮游的铜绿假单胞菌㊂Hwang等[61]针对被生物膜包被的铜绿假单胞菌,在此基础上引入了趋药性基因CheZ,使大肠杆菌能自发富集到铜绿假单胞菌AHL信号分子浓度较高的区域,再利用抗菌肽MccS和抗生物膜酶042生㊀物㊀加㊀工㊀过㊀程㊀㊀第17卷㊀DNase1,达到同时杀灭浮游的铜绿假单胞菌和生物膜包被的铜绿假单胞菌的目的㊂Loughlin等[62]研究了一种人工合成的群体感应抑制剂mBTL,可以抑制铜绿假单胞菌的毒力因子绿脓杆菌素和生物被膜形成㊂mBTL主要作用于铜绿假单胞菌的两个QS受体蛋白LasR和RhlR,具有和信号分子相似的结构,可以通过与受体蛋白的竞争结合,抑制受QS调控的相关基因的表达,8μmol/L的浓度即可绿脓杆菌素生产,且经实验证明在体内体外均能有效㊂Srivastava等[63]发现从母马初乳中提取的多聚己糖具有抑制金黄色葡萄球菌QS的功效,可以抑制金黄色葡萄球菌毒力因子的表达,同时增加了其对抗生素的敏感性㊂Cosgriff等[3]在对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的毒力因子筛查过程中发现了一个膜内嵌的肽酶基因(MroQ),缺失该基因的金黄色葡萄球菌显著降低了AIPs的分泌,受QS调控的一系列毒力因子表达也因此变弱,这个发现为利用QS系统建立安全的金黄色葡萄球菌感染治疗方案提供了新的思路㊂4 群体感应系统的应用与展望群体感应系统的深入研究为发酵工程动态调控㊁有害微生物防治等提供了新的思路,但是目前的研究依然存在一些不足或尚未明晰之处㊂目前群体感应的复杂多层次的调控网络还未能完全解析清楚,不同调控系统之间是否可以互相干扰也需要进一步的探究;基于群体感应的动态调控存在一定的渗漏,无法对靶基因的表达实现严谨调控,且基因表达的启动是不可逆的㊂需要对以群体感应为基础的基因元件进一步优化改造以及发现更加优秀的群体感应调节元件,努力使发酵过程更加简化,成本更加低廉,控制更加精密,向产业化方向靠拢;以QSI为基础的食品防腐剂目前的应用局限性在于从植物中提取的含量有限,而天然合成的QSI在食品安全性上很难得到保障,对于QSI的探索还需要充分考虑其应用的安全性及稳定性㊂参考文献:[1]㊀TOMASZA.Controlofthecompetentstateinpneumococcusbyahormone⁃likecellproduct:anexampleforanewtypeofregulatorymechanisminbacteria[J].Nature,1965,208:155⁃159.[2]㊀MELISSABM,BASSLERBL.Quorumsensinginbacteria[J].AnnuRevMicrobiol,2001,55(1):165⁃199.[3]㊀COSGRIFFCJ,WHITECR,TEOHWP,etal.Controlofstaphylococcusaureusquorumsensingbyamembraneembeddedpeptidase[J].InfectImmun,2019,10(11):11⁃19.[4]㊀KAIP,BASSLERBL.Quorumsensingsignalresponsesystemsingramnegativebacteria[J].NatRevMicrobiol,2016,14(9):576⁃588.[5]㊀MONNETV,GARGANR.Quorumsensingregulatorsingrampositivebacteria:cherchezlepeptide[J].MolMicrobiol,2015,97(2):181⁃184.[6]㊀THOMPSONJA,OLIVERIRARA,DJUKOVICA,etal.ManipulationofthequorumsensingsignalAI⁃2affectstheantibiotictreatedgutmicrobiota[J].CellRep,2015,10(11):1861⁃1871.[7]㊀MIYASHIROT,OEHLERTD,RAYVA,etal.TheputativeoligosaccharidetranslocaseSypKconnectsbiofilmformationwithquorumsignalinginVibriofischeri[J].MicrobiolOpen,2014,3(6):836⁃848.[8]㊀ENGEBRECHTJ,NEALSONK,SILVERMANM.Bacterialbioluminescence:isolationandgeneticanalysisoffunctionsfromVibriofischeri[J].Cell,1983,32(3):773⁃781.[9]㊀JUNLL,ATTILAC,WANGL,etal.QuorumsensinginEscherichiacoliissignaledbyAI⁃2/LsrR:effectsonsmallRNAandbiofilmarchitecture[J].JBacteriol,2007,189(16):6011⁃6020.[10]㊀WILLIAMSP,CAMARAM.QuorumsensingandenvironmentaladaptationinPseudomonasaeruginosa:ataleofregulatorynetworksandmultifunctionalsignalmolecules[J].CurrOpinMicrobiol,2009,12(2):182⁃191.[11]㊀LEEJ,ZHANGL.ThehierarchyquorumsensingnetworkinPseudomonasaeruginosa[J].ProteinCell,2015,6(1):26⁃41.[12]㊀PEARSONJP,DELDENCV,IGLEWSKIBH.ActiveeffluxanddiffusionareinvolvedintransportofPseudomonasaeruginosacell⁃to⁃cellsignals[J].JBacteriol,1999,181(4):1203⁃1213.[13]㊀EVANSK,PASSADORL,SRIKUMARR,etal.InfluenceoftheMexAB⁃OprMmultidrugeffluxsystemonquorumsensinginPseudomonasaeruginosa[J].JBacteriol,1998,180(20):5443⁃5447.[14]㊀PASSADORL,COOKJM,GAMBELLOMJ,etal.ExpressionofPseudomonasaeruginosavirulencegenesrequirescell⁃to⁃cellcommunication[J].Science,1993,260:1127⁃1130.[15]㊀TODERDS,FERRELLSJ,NEZEZONJL,etal.lasAandlasBgenesofPseudomonasaeruginosa:analysisoftranscriptionandgeneproductactivity[J].InfectImmun,1994,62(4):1320⁃1327.[16]㊀TODERDS,GAMBELLOMJ,IGLEWSKIBH.PseudomonasaeruginosaLasA:asecondelastaseunderthetranscriptionalcontroloflasR[J].MolMicrobiol,2010,5(8):2003⁃2010.[17]㊀SEEDPC,PASSDORL,IGLEWSKIBH.ActivationofthePseudomonasaeruginosalasIgenebyLasRandthePseudomonasautoinducerPAI:anautoinductionregulatoryhierarchy[J].JBacteriol,1995,177(3):654⁃659.142㊀第3期周㊀朋等:微生物群体感应系统的调控机制及应用研究进展[18]㊀PEARSONJP,PASSADORL,IGLEWSKIBH,etal.AsecondN⁃acylhomoserinelactonesignalproducedbyPseudomonasaeruginosa[J].PNAS,1995,92(5):1490⁃1494.[19]㊀WINSONMK,CAMARAM,LATIFIA,etal.MultipleN⁃acyl⁃L⁃homoserinelactonesignalmoleculesregulateproductionofvirulencedeterminantsandsecondarymetabolitesinPseudomonasaeruginosa[J].PNAS,1995,92(20):9427⁃9431.[20]㊀TANGHB,DIMANGOE,BRYANR,etal.ContributionofspecificPseudomonasaeruginosavirulencefactorstopathogenesisofpneumoniainaneonatalmousemodelofinfection[J].InfectImmun,1996,64(1):37⁃43.[21]㊀OCHSNERUA,REISERJ.Autoinducer⁃mediatedregulationofrhamnolipidbiosurfactantsynthesisinPseudomonasaeruginosa[J].PNAS,1995,92(14):6424⁃6428.[22]㊀LATIFIA,WINSONMK,FOGLINOM,etal.MultiplehomologuesofLuxRandLuxIcontrolexpressionofvirulencedeterminantsandsecondarymetabolitesthroughquorumsensinginPseudomonasaeruginosaPAO1[J].MolMicrobiol,2010,17(2):333⁃343.[23]㊀LITHGOWJK,DANINOVE,JONEJ,etal.AnalysisofN⁃acylhomoserine⁃lactonequorum⁃sensingmoleculesmadebydifferentstrainsandbiovarsofRhizobiumleguminosarumcontainingdifferentsymbioticplasmids[J].PlantSoil,2001,232(2):3⁃12.[24]㊀LATIFIA,FOGLINOM,TANAKAK,etal.AhierarchicalquorumsensingcascadeinPseudomonasaeruginosalinksthetranscriptionalactivatorsLasRandRhIR(VsmR)toexpressionofthestationaryphasesigmafactorRpoS[J].MolMicrobiol,2010,21(6):1137⁃1146.[25]㊀GAMBELLOMJ,KAYES,IGLEWSKIBH.LasRofPseudomonasaeruginosaisatranscriptionalactivatorofthealkalineproteasegene(apr)andanenhancerofexotoxinAexpression[J].InfectImmun,1993,61(4):1180⁃1184.[26]㊀CHAPONHERVEV,AKRIMM,LATIFIA,etal.Regulationofthexcpsecretionpathwaybymultiplequorum⁃sensingmodulonsinPseudomonasaeruginosa[J].MolMicrobiol,2010,24(6):1169⁃1178.[27]㊀HASSETTDJ,MAJF,ELKINSJG,etal.QuorumsensinginPseudomonasaeruginosacontrolsexpressionofcatalaseandsuperoxidedismutasegenesandmediatesbiofilmsusceptibilitytohydrogenperoxide[J].MolMicrobiol,2010,34(5):1082⁃1093.[28]㊀WINZERK,FALCONERC,GARBERNC,etal.ThePseudomonasaeruginosalectinsPA⁃ILandPA⁃IILarecontrolledbyquorumsensingandbyRpoS[J].JBacteriol,2000,182(22):6401⁃6411.[29]㊀MCBRAYERDN,CAMERONCD,GANTMANBK,etal.RationaldesignofpotentactivatorsandinhibitorsoftheEnterococcusfaecalisFsrquorumsensingcircuit[J].ACSChemBiol,2018,13(9):2673⁃2681.[30]㊀WUG,YANQ,JONESJA,etal.Metabolicburden:cornerstonesinsyntheticbiologyandmetabolicengineeringapplications[J].TrendsBiotechnol,2016,34(8):652⁃664.[31]㊀ANDREASP,BERNDK.Celldensitydependentregulation:basicprinciplesandeffectsonthevirulenceofgrampositivecocci[J].JInfectDis,2004,8(2):81⁃95.[32]㊀LEETS,KRUPARA,ZHANGF,etal.BglBrickvectorsanddatasheets:asyntheticbiologyplatformforgeneexpression[J].JBiolEng,2011,5(1):12⁃26.[33]㊀BROCKMANIM,PRATHERKLJ.Dynamicmetabolicengineering:newstrategiesfordevelopingresponsivecellfactories[J].BiotechnolJ,2015,10(9):1360⁃1369.[34]㊀FARMERW,LIAOJ.ImprovinglycopeneproductioninEscherichiacolibyengineeringmetaboliccontrol[J].NatBiotechnol,2000,18(5):533⁃537.[35]㊀DAHLRH,ZHANGF,AlonsogutierrezJ,etal.Engineeringdynamicpathwayregulationusingstressresponsepromoters[J].NatBiotechnol,2013,31(11):1039⁃1046.[36]㊀SOMAY,HANAIT.Selfinducedmetabolicstateswitchingbyatunablecelldensitysensorformicrobialisopropanolproduction[J].MetabEng,2015,30:7⁃15.[37]㊀PENGX,WENYAW,LINGYUL,etal.DesignandkineticanalysisofahybridpromoterregulatorsystemformalonylcoAsensinginEscherichiacoli[J].ACSChemBiol,2014,9(2):451⁃458.[38]㊀LIUD,XIAOY,EVANSBS,etal.NegativefeedbackregulationoffattyacidproductionbasedonamalonylcoAsensoractuator[J].ACSSynthBiol,2015,4(2):132⁃140.[39]㊀WILLIAMSTC,AVERESCHNJH,WINTERG,etal.QuorumsensinglinkedRNAinterferencefordynamicmetabolicpathwaycontrolinSaccharomycescerevisiae[J].MetabEng,2015,29:124⁃134.[40]㊀GUPTAA,REIZMANIM,REISCHCR,etal.Dynamicregulationofmetabolicfluxinengineeredbacteriausingapathwayindependentquorumsensingcircuit[J].NatBiotechnol,2017,35(3):273⁃279.[41]㊀ANANDP,YUT,LINGCHONGY.Optimalityandrobustnessinquorumsensing(QS)mediatedregulationofacostlypublicgoodenzyme[J].PNAS,2012,109(48):19810⁃19815.[42]㊀GRAML,RAVNL,RASCHM,etal.Foodspoilageinteractionsbetweenfoodspoilagebacteria[J].JFoodMicrobiol,2002,78(1):79⁃97.[43]㊀MARTINSML,PINTOCLO,ROCHARB,etal.Geneticdiversityofgramnegative,proteolytic,psychrotrophicbacteriaisolatedfromrefrigeratedrawmilk[J].JFoodMicrobiol,2006,111(2):144⁃148.[44]㊀LIUM,GRAYJM,GRIFFITHSMW.OccurrenceofproteolyticactivityandN⁃acyl⁃homoserinelactonesignalsinthespoilageofaerobicallychillstoredproteinaceousrawfoods[J].JFoodProtect,2006,69(11):2729⁃2737.[45]㊀BRUHNJB,CHRISTENSENAB,FLODGAARDLODGAARDLR,etal.Presenceofacylatedhomoserinelactones(AHLs)andAHLproducingbacteriainmeatandpotentialroleofAHLinspoilageofmeat[J].ApplEnvironMicrob,2004,70(7):242生㊀物㊀加㊀工㊀过㊀程㊀㊀第17卷㊀4293⁃4302.[46]㊀李学鹏,陈桂芳,仪淑敏,等.食品腐败中细菌群体感应现象的研究进展[J].食品与发酵工业,2015,41(8):244⁃250.[47]㊀郭嘉亮,陈卫民.细菌群体感应信号分子与抑制剂研究进展[J].生命科学,2007,19(2):224⁃232.[48]㊀SHOBHARANIP,AGRAWALR.Interceptionofquorumsensingsignalmoleculebyfuranonetoenhanceshelflifeoffermentedmilk[J].FoodControl,2010,21(1):61⁃69.[49]㊀BAIAJ,VITTALRR.Quorumsensinginhibitoryandantibiofilmactivityofessentialoilsandtheirinvivoefficacyinfoodsystems[J].FoodBiotechnol,2014,28(3):269⁃292.[50]㊀CHANKG,ATKINSONS,MATHEEK,etal.CharacterizationofN⁃acyl⁃homoserinelactonedegradingbacteriaassociatedwiththezingiberofficinale(ginger)rhizosphere:coexistenceofquorumquenchingandquorumsensinginAcinetobacterandBurkholderia[J].BMCMicrobiol,2011,11(1):51⁃64.[51]㊀TRUCHADOP,LOPEZGF,GILMI,etal.Quorumsensinginhibitoryandantimicrobialactivitiesofhoneysandtherelationshipwithindividualphenolics[J].FoodChem,2009,115(4):1337⁃1344.[52]㊀VATTEMDA,MIHALIKK,CRIXELLSH,etal.Dietaryphytochemicalsasquorumsensinginhibitors[J].Fitoterapia,2007,78(4):302⁃310.[53]㊀BLAIRJMA,WEBBERMA,BAYLAYAJ,etal.Molecularmechanismsofantibioticresistance[J].NatRevMicrobiol,2015,13(1):42⁃51.[54]㊀HRAIECHS,BREGEONF,ROLAINJM.BacteriophagebasedtherapyincysticfibrosisassociatedPseudomonasaeruginosainfections:rationaleandcurrentstatus[J].DrugDesDevTher,2015,9:3653⁃3663.[55]㊀PEWZNERJY,TAVAKOLITS,GRASSMEH,etal.SphingoidlongchainbasespreventlunginfectionbyPseudomonasaeruginosa[J].EMBOMolMed,2014,6(9):1205⁃1214.[56]㊀ATTIMCD,BERNASCHIP,CARLETTIM,etal.AnoutbreakofextremelydrugresistantPseudomonasaeruginosainatertiarycarepediatrichospitalinItaly[J].BMCInfectDis,2014,14(1):494.[57]㊀SCHLECHTLM,PETERSBM,KROMBP,etal.SystemicStaphylococcusaureusinfectionmediatedbyCandidaalbicanshyphalinvasionofmucosaltissue[J].Microbiology,2015,161(1):168⁃181.[58]㊀徐小玲,李爱玲,贾红.医院耐甲氧西林金黄色葡萄球菌感染的系统评价[J].中华医院感染学杂志,2015(2):296⁃299.[59]㊀LINGH,SAEIDIN,RASOULIHABH,etal.ApredictedS⁃typepyocinshowsabactericidalactivityagainstclinicalPseudomonasaeruginosaisolatesthroughmembranedamage[J].FEBSLett,2010,584(15):3354⁃3358.[60]㊀SAEIDIN,WONGCK,LOTM,etal.EngineeringmicrobestosenseanderadicatePseudomonasaeruginosa,ahumanpathogen[J].MolSystBiol,2011,7:521.[61]㊀HWANGIY,TANMH,KOHE,etal.Reprogrammingmicrobestobepathogenseekingkillers[J].ACSSynthBiol,2014,3(4):228⁃237.[62]㊀OᶄLOUGHLINCT,MILLERLC,SIRYAPORNA,etal.Aquorum⁃sensinginhibitorblocksPseudomonasaeruginosavirulenceandbiofilmformation[J].PNAS,2013,110(44):17981⁃17986.[63]㊀SRIVASTAVAA,SINGHBN,DEEPAKD,etal.Colostrumhexasaccharide,anovelStaphylococcusaureusquorum⁃sensinginhibitor[J].AntimicrobAgentsChemother,2015,59(4):2169⁃2178.(责任编辑㊀周晓薇)342㊀第3期周㊀朋等:微生物群体感应系统的调控机制及应用研究进展。