微生物间的交流

  自列文虎克对庞大的微生物世界做出描述以来，微生物一直被视为聋哑者，在复杂的环境中默默生存繁衍而不与周围的伙伴交流。直至20世纪60年代，科学家才揭示了微生物也能够借助特定的信号分子作为其通讯语言，通过交流与邻居间建立紧密的联系。借助这种复杂而精密的交流系统，微生物能够通过“听-想-做”（即“感知周围的信号-翻译所识别的信息-对外部信号做出响应”）的过程，快速感应环境变化，并与邻居进行分工合作、资源共享、协同进化等复杂的群体行为，进而提高在环境中的适应能力。

微生物的交流语言

  与微生物交流的邻居可能是同种的个体，也可能是异种的成员，甚至是与他们共享生态幅的其他生物有机体，因此，它们之间交流所借助的语言也各有不同。这些语言广泛存在且具有种属差异，包括化学信号、小分子化合物、信息素，以及细胞间的物理接触等，行使着种内、种间和跨界交流的功能，决定着微生物与相邻生物之间互利共生或是竞争的关系。

  通常，微生物在生长过程中能够通过分泌某些小分子进行相互交流，这些信号分子聚集在细胞周围，并在达到阈值浓度后调节自身种群密度，激活下游功能基因的表达，表现出生物发光、毒性表达、抗生素产生以及生物膜形成等行为[1]。这类信号被称为“群体感应”（quorum sensing，QS），是微生物较为通用的交流语言。但对于不同的微生物，还有其偏好使用的独特方言，例如革兰氏阴性菌常利用的信号分子是N-酰基高丝氨酸内酯（AHLs）、长链脂肪酸、脂肪酸甲酯以及自诱导物II（AI-2）。AI-2也可被一些革兰氏阳性细菌所使用，但通常它们更喜欢利用修饰或环状的肽，如寡肽（AIP）。而细菌用于种内和种间交流时，还偏向于使用扩散信号因子（DSF）。对于真菌而言，它们常使用的QS信号分子主要为醇类化合物。另外，在种内、种间及跨界交流中，吲哚常常作为信息素，发挥着重要的介导作用。

  除QS信号外，微生物间还存在其他交流语言。群体猝灭信号（quorum quenching，QQ）是微生物破坏信号分子以阻碍QS过程的一种策略。据推断，QQ可能是由QS产生者为清除自身QS信号而进化出的自然机制，或者是产QQ生物与QS信号产生者竞争的一种有效手段[2-3]。此外，抗生素在亚抑制浓度下也可以充当种间信号分子，调节微生物群落的平衡[4-5]，而只有在超过阈值浓度时才会发挥抗菌作用。

  这些语言使微生物能够通过感知进行交流，但除了这种有距离地交换信号外，微生物还能够以细胞间的直接接触来传递信息。比如由连接相邻细胞的胞间纳米管（intercellular nanotubes）介导的细菌通讯，可以为种内和种间的物质交换搭建交流网络。此外，原核和真核细胞能够分泌一种进化保守的胞外囊泡（extracellular vesicles，EVs），通过多种内吞途径将信息物质输送到宿主细胞，进而介导着微生物与宿主间的紧密交流[6]。

微生物交流的作用

  微生物栖居过程中常常需要应对多变的环境，包括资源的匮乏和恶劣条件的刺激。为了获得长久生存，微生物通过交流将单个细胞的功能与群体的需求联系在一起，共同应对外界挑战。通过频繁的信号交流，微生物能够产生生物膜，获得增加抗逆性、抵抗紫外辐射、提高抗生素耐药性等多种生存优势，从而提高了它们在不利条件下繁殖、存活和代谢的几率[7]。另一方面，微生物为了更好地分配资源，通过交流进行生态位分割，实现营养的有效利用，将资源枯竭的可能性降至最低，从而有利于群体的长远发展。最后，微生物借助各种交流与其他物种进行错综复杂的互作，而持续的相互作用驱动了微生物与宿主间的协同进化。

微生物交流的应用

  微生物间的交流常常与病原菌的致病性密切相关，通过QS系统调控毒力相关过程，使细菌能避免宿主防御系统对它的早期识别，并在定殖成功后统一种群行为，有效扩大其生态影响。信号交流为微生物带来了生存优势，但同时也成为疾病治疗、农业病害防治及环境修复的新突破口。不同于抗生素，群体猝灭剂控制了病原菌的毒力，抑制生物膜的形成，但不影响细菌的生存生长，因此在减弱致病性的同时，不会造成抗菌治疗的选择压力，是治疗细菌感染性疾病的有效途径[8]。同时，群体感应抑制剂能够有效对抗植物和动物疾病，在农业生产中具有潜在的应用前景。另外，干扰细菌QS系统破坏生物膜，将是未来新型无毒害的生物污损防治手段[9-10]。

展望

  随着微生物研究的不断深入，人们逐渐认识到生活在庞杂环境中的微生物并不是孤立的存在，而是表现出群体的行为。在群体过程中它们使用多样的交流系统去协调自身活动，感知邻近细胞的动态，并相应调节自身的行为。近年来，更有研究表明，最简单的生命个体——病毒，也在QS信号介导下参与着与宿主间的互作交流[12]。

  在过去的几十年里，许多结构和功能多样的信号系统正以惊人的速度被发现，并不断增加着人们对微生物通讯、微生物生理和微生物进化的认知，但是对于许多信号分子的全部面貌和交流分子机制仍存在未知领域。此外，目前对微生物信号的了解大多基于实验室内的纯培养，这对于自然微生物群落而言还只是太仓一粟。因此，未来仍需进行不同生境下多物种交流方式的探索，通过更多新方法来扩充微生物语言库，并借助交流语言去阐释生态事件，解读微生物的行为机制。最后，借助合成生物学对微生物语言进行改造与利用，从而开展更有效的生态修复及病原防控。

来源：中国生物物理学会

作者 | 程珂珂

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