细菌中的交互与协同作用

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  社会交流和合作是动物的特权吗?当然不是：它们也存在于植物和单细胞生物中，如细菌。在后者中，社会行为特别依赖于局部的个体密度。因此，费氏弧菌和其他物种一样，拥有一种依赖于密度的交流系统，称为“群体感应”，这使它们能够在高细胞密度下协调活动和协作。这个系统是如何运作的?它是如何演变的?它在细菌中广泛存在吗?在其他微生物中也存在吗?宿主物种对致病菌群体感应的反应是什么?对群体感应机制的理解能否帮助微生物学家控制微生物攻击，比如致病细菌形成的生物膜?这些是19世纪末20世纪初以来进化生物学和微生物学研究人员探索的一些问题。

1. 宿主-微生物组合：一个复杂的生态系统

  无论是植物、动物、藻类还是真菌，所有的多细胞生物（或者说我们能用肉眼分辨的宏观生物）的表面和特定器官上都有大量的被称为“微生物群”的微生物群落，包括细菌、原生生物*（如变形虫和单细胞真菌），可能还有古菌*。宏观生物和微生物之间的这种联系对双方来说当然不是毫无用处的，它们与宿主物种一起存在了许多代，微生物群的一些或所有生物可以对宿主的生理功能（也称为“宏生物”）做出重大贡献，从而建立一种相互依赖或共生关系*（见共生和寄生）。这也是人类肠道菌群的例子，恩德斯·格利亚（Giulia Enders）的《肠道》一书使其广为人知 [1]，并在本百科全书的另一篇文章中也进行了描述（见人类微生物群：我们健康的盟友）。

  因此，宿主和微生物群在某种程度上是共生的！如果这种关系不是对双方都有利的话，那主要是因为，第一个不同点在于（由单个细胞分裂产生的），第二既不是一个单独的有机体，也不是一个相互协调的“超级有机体”。微生物细胞属于许多不同的物种，涉及多种生态和代谢关系，包括它们自身和它们的宿主。它们在外部环境中合成、降解和分泌许多化合物，这些化合物对周围的其他细胞以及宿主都有不同的影响。因此，它们可以通过化学信号（称为信息素）相互交流，并通过聚集分子工具（如“消化酶”）进行协作；但也会通过释放有毒化合物来相互争斗 [2]。这些活动通常会稳定宿主和其微生物群之间的共生关系*，但有时也会导致后者对其宿主有规律的攻击！

  近二十年来该领域的研究表明，微生物群细胞之间的“分子交互”是极为复杂的。根据“群体感应”的机制，在细菌发出的化学信号/信息中，一些信号只在特定条件（密度）下才会刺激细菌同其他细菌协作。从应用于医学和公共卫生的微生物学角度来看，了解这种有条件协作所涉及的机制带来了许多机会，例如：这种协作往往导致有关细菌种群的毒性增加，见下文。更广泛地说，在理论和进化水平上，对细菌群体感应机制和问题的研究可以阐明细菌协作的进化问题 [3]。

2. 历史模型：乌贼的生物荧光细菌

  对陆地和海洋的“外行”观察者和生物学家来说，生物体产生的光“被称为生物荧光”是一种令人着迷的现象。在一种模式动物，即在夏威夷发现的小型乌贼（或耳乌贼属）（图1），学科家对它进行了详细的研究 [4]。这只乌贼的外套上散布着多个小型发光器官，这些器官被称为“光体”，它们的活动会根据局部光线、它们（背部或腹部）的位置以及乌贼的行为而变化。

  当它在月光下捕猎时，光团的生物发光被调整到顶端照明的强度，这可以弥补腹部表面的光线不足，并掩盖其投射的阴影。因此，矛盾的是乌贼发出光为了向它的敌人，捕食者和猎物隐藏它的存在 [4]。这是非常有适应性的行为！但发光器发光细胞不属于墨鱼：他们其实是费氏弧菌的共生细菌一种可以发出生物荧光的物种  [5]，能够在宿主的神经内分泌系统控制下协调它们的光生产…并为宿主胚胎发育做贡献 [4]！细菌这样的行为增加了宿主的生存几率，繁殖成功率，从而增加了它们自身的选择价值！

  在20世纪70年代早期，研究表明费氏弧菌只在其浓度达到临界值或达到细菌能够检测时才能合成发光所需的荧光素酶 [5]。这种现象被称为群体感应。它指（化学）细菌细胞数量间通讯系统，或其他微生物，他们之间互相交流获得局部密度，允许密度在特定阈值以上开展和协调集体活动（见细谈群体感应和化学信使）。然后，细菌表现出协作或“社会”行为，并能够在微生物细胞群体的规模上同步表达特定功能。以墨鱼的共生细菌为例，其功能因此受到控制，即产生光（生物荧光）。

  其机理相当简单。具有群体感应能力的细菌合成并释放有机分子到外部环境中，这些有机分子作为化学信号（信息素）发挥作用，它们自身对这些化学信号（信息素）也很敏感（图2）。刺激信息素的合成和分泌——增加了细胞外介质中信号分子的局部浓度——这一过程被称为自我诱导或自我训练。这就是为什么微生物学家称群体感应的化学信号为“自我感应”。群体感应的化学信号的局部浓度会随细菌的密度而变化（图2）。

  在非常低的细胞密度时，信号分子被降解或扩散局部消除之前，很少被检测到；因此，细胞的功能模式（或表型）保持稳定，属于“个人主义”类型。但从一定的密度阈值开始，由于自感回路的存在，这些分子的局部浓度导致细胞切换到另一种功能模式（或表型），包括合成对整个群体有用的分子并促进它们之间的协调：即所谓的“社会”或“协作”表型。

3.  群体感应的多种用途

  自20世纪80年代以来，利用群体感应来同步和协调集体活动已经在大量细菌中得到验证 [2], [3]。在古菌和一些酵母菌真菌中也发现了两种不同的生长模式（菌丝或芽殖） [6], [7]。

  群体感应控制着这些微生物的许多功能，对微生物群的功能和宿主的生理产生重要影响 [2], [6]。例如，许多研究小组正在研究群体感应在某些属于牡蛎微生物群的弧菌中的作用，这些弧菌在某些条件下可能会致病。

3.1 致病性

  许多微生物通过群体感应来调控它们的致病性：比如寄生于植物（欧文氏菌）或哺乳动物皮肤（如金黄色葡萄球菌）的致病菌、霍乱病原体（霍乱弧菌），可能还有真菌白色念珠菌。在其他细菌中，如大肠杆菌和克伦氏菌，群体感应控制着抗菌分子的酶（特别是内酯酶*）的产生和分泌提供对抗生素的集体耐药性。

3.2 生物膜的形成

  群体感应还参与了细菌种群的绝缘和保护生物膜的形成（图3），在这个生物膜下，细胞可以更有效地繁殖和协作，利用它们的宿主或矿物质：生物膜堵塞管道，在钙化成皮毛之前覆盖牙齿，粘附在船壳上……群体感应也是囊性纤维化患者慢性感染的开始（假单胞菌感染）。

4. 群体感应的进化与适应

  那么如何解释这种社会交流系统在许多细菌、古菌和其他微生物（如微生物群落）孤立栖息地的存在和进化呢?从生态学、遗传学和进化的角度来看，可以得出，在营养丰富的当地栖息地中形成密集的微生物群落，结合微生物的基本功能（进食、繁殖、防御、交流方式……），促进了这些系统的进化。

  密度。一般而言，微生物的细胞密度增加了物种之间和同一物种种群内化学和生物物理相互作用的频率和多样性，对个体可能是有利或有害的（就选择价值而言）。因此，也促进了基于这些相互作用的多种交流系统的进化，致力于协作的系统，或者相反，致力于躲避生态伙伴的系统 [8]， [9]。

  隔离。此外，无论是局限于宿主的一个器官还是集中在一个营养来源周围，微生物群落的（甚至是相对）隔离增加了同一”物种”的当地种群的近亲繁殖，就细菌而言，是个体克隆产生的种群。因此，它促进了这些当地种群的社会行为的进化 [10], [11]。

  在更高层次的整合中，微生物群的细胞是其生态系统的工程师：

• 它们的局部密度是这样的，通过它们的多种代谢活动，显著地改变了它们的生物物理-化学环境（在其宿主的规模上）。
• 反过来，由大量细胞集体活动引起的环境变化促进了高密度条件下个体适应性社会行为的出现、进化和控制 [2]， [3]。

  就像所有特定物种的行为，或者物种中的某些个体类别——例如，幼体，或者动物中繁殖的成年个体——交流信号和社会行为只有在增加个体的选择性包容价值的情况下才会进化。狼的集体狩猎或狐獴的集体防御就是这样的例子，在这两种情况下，只涉及成年和亚成年（大多与群体中的幼崽有关）。由群体感应控制的细菌活动也是如此……但是在另一个数字尺度上！

  为了在其宿主–耳乌贼的规模上（或在耳乌贼-细菌共生功能体规模）发挥作用，费氏梭菌的光发射必须是大规模而且同步的。然而，参与光发射的荧光素酶合成和反应链是需要消耗巨大能量的生理活动，当它们不起作用时（适应性地）会受到负反馈，如在少数细菌或/和协调不良的情况下。简而言之，这些活动只有在一定的密度条件下才适合细菌。

  同样，细菌以“社会”模式在外部环境中合成和分泌大量的能量富集型分子，如酶、多糖、铁载体和其他对群体有用的“分子工具”，只有当分泌细菌被许多作用方式相同（通常来自同一克隆）的细胞包围时，它们才会受益（就包容性选择性而言*）。换句话说，它是关于生产和向其他细胞提供生产成本高昂的“公共物品”（cf. [2]），只有在缺乏互惠的情况下才进行反选择活动。

  在这些条件下，一个相互沟通和刺激的系统通过小信号分子的发射和检测让潜在的协作者来了解局部密度，高密度下的协作只能被自然选择促进，因为它授予执行者选择的优势。简而言之，群体感应允许细菌协作，当且仅当生物（遗传、生态）条件对参与者有利……除非系统被转移！

5. 信号的转移和利用

  在微生物以及动物或植物中，任何新的通信系统只有在促进双方（生殖伙伴、社会同族、生态伙伴、食物或性竞争对手等）之间的功能相互作用，对双方都有利的情况下才能出现和进化 [9], [10]。然后，通信伙伴可以被指定为信号的发送者和“生物接收者”。

  然而，生物信号发出者和“接收者”并不是单独生活在它们的栖息地：它们与许多其他生物体、潜在的探测器和任何信息（和任何潜在的物质资源）的使用者均有接触，这些信息是通过现有物种的化学、视觉、声音和其他表现形式传递的。例如，一只雄性夜莺栖息在树枝上，它的歌声不仅会被捕猎的貂和人类听到，也会被它的同类成员（当前或潜在的性伴侣、性对手等）听到。

  信号的发射只有在它对所有能够感知并对其作出反应的生物体产生影响时（无论它们是否是功能性伙伴），并且在物种正常的生活条件下对发射者有利时才会进化。这并不排除共享同一栖息地的其他生物探测、利用和/或可能转移信号，而这并非它们的本意。这当然也适用于细菌群体感应。

  突变菌株的存在，是由于其对来自同族的群体感应信号不敏感，已经在几个物种中被证实。摒弃高能耗合成的“社会”这个词汇，但受益于酶的活动和分子工具（称为“公共产品”）在外部环境中发出的后者，在短期内这些个人主义的突变体比种群更有竞争力，并开始传播到群体中中。换句话说，他们是“作弊者”，寄生在一个他们并不参与的交流与协作的系统中（图4） [12]。

  然而，这些“骗子”的比例不断增加，逐渐降低了局部社会模式细胞的密度。因此，它降低了群体的生产力（阻碍了局部群体的集体功能）和群体感应信号的密度，最终结束了局部合作 [13]。

  因此，在实验室中，对群体感应化学信号不敏感的突变体入侵铜绿假单胞菌（图5），降低了细菌在社会模式下形成的保护性生物膜的厚度。增加局部对抗生素的敏感性，减少“野生”（即潜在的社会性）细菌对群体感应的反应。此外，这种反应与参与实验的细菌的亲缘关系（遗传邻近性）相反：根据汉密尔顿规则*，遗传距离会减少个体的协作。

  利用细菌发出的群体感应信号，当然不是对这些信号不敏感的“作弊”突变体的专有领域，这些突变体不时出现在细菌系中。从理论上讲，只要这种使用能够提高使用者的平均繁殖成功率（或者，更准确地说，是包容性适合度*），自然选择就应该倾向于任何频繁出现在可能感知到这种信号的栖息地的物种，以及宿主物种本身也使用这种信号。这使得外界可以利用现有的通信系统，而其进化反过来又会对信号的生物发射器和/或接收者施加选择压力（见 [9]、 [10]和下文）。

6. 操纵分子交互

  参与群体感应控制的化合物在对人体有害的微生物中具有重要的功能，如致病性或形成生物膜的能力。许多研究小组致力于操纵这些分子交互来控制、限制或阻止这些微生物活动。随着微生物对已知抗生素耐药性的增加，这一挑战变得更加重要。因此，寻找可替代的控制策略是必要的。

  为了实现这一目标，研究人员（以仿生和/或进化的方法）受到利用自然界中观察到的信号的策略的启发。目前已知，许多物种，特别是寄主，能够抑制微生物细胞间的群体感应分子交互：这种现象被称为群体猝灭。

  信号的发射只有在它对所有能够感知并对其作出反应的生物体产生影响（无论它们是否是功能性伙伴），并且在物种正常的生活条件下对发射者有利时才会进化。这并不排除共享同一栖息地的其他生物探测、利用和/或可能转移信号，而这并非它们的本意。这当然也适用于细菌群体感应。

  最著名的例子之一是澳大利亚研究人员强调的红藻Delisea pulchra（图6），它释放的分子与寄生在其表面的细菌发出的群体感应信号非常相似（类似的化合物称为呋喃酮），不是激活目标细菌的生物反应，而是使其失活。通过这种行为，藻类可以对抗其叶片表面生物膜和致病菌的生长 [14]。这些类似的化合物现在正作为防污剂（生物杀菌剂）进行测试，实验室正试图对它们进行化学修饰，使其更加有效。类似的策略也在测试中，试图控制植物和藻类病原体，以及在各种各样的其他环境中。

  因此，群体猝灭的应用是多种多样的，许多仍处于实验阶段。一些团队已经使用芽孢杆菌来控制水产养殖中的鱼类病原体 [15]。这些细菌分泌酶来降解群体感应信号。它们以小球的形式加入到鱼饲料中，通过降解控制病原体协调的化学信号，可以控制水产养殖池或水族馆中的病原体。其他人也在尝试类似的策略来控制工业过滤膜上形成的生物膜 [16]。

  在医学领域，有些前景似乎特别有希望。众所周知，抗生素能显著改变我们的肠道菌群。诱发的失衡可能导致某些病原体和疾病的出现。但最近的一项研究 [17]表明，向老鼠肠道注射过量产生群体感应分子（AI-2）的细菌，有助于控制其肠道的微生物种群。因此，在对微生物群有害的抗生素治疗后，注射这种菌株可以找到更多样化的微生物群，特别是富含厚壁菌门。

7. 合作还是不合作?这是一个问题

  有人说，团结就是力量。这句格言在我们人类眼中似乎是显而易见的，几乎是不言而喻的：人类伙伴或盟友之间的社会行为、合作和组织允许执行一些对所有参与者都有利的行动，都超出了独立个体的能力范围，这有利于每一格参与者。

  然而，即使在这个领域脱颖而出的动物王国，合作也不是黄金法则。与天鹅和大多数鸟类不同，绿头鸭独自抚养幼鸭。老虎是狮子的近亲，它们独自狩猎。尽管蜜蜂是非常群居的，但许多种类的蜜蜂是独居的……有必要认识和质疑物理、生物和社会环境在“利他”行为和交流进化中的多重作用。这同样也适用于微生物。

  合作总是涉及到成本和风险，其中与通信信号的发射和非接收生物检测这些信号有关：竞争者、捕食者、寄生虫 [9]、 [10]。因此，社会行为和合作只有在利益——就选择价值而言，即将基因传递给后代——超过这些成本的情况下才能进化。因此，许多细菌群体感应的进化，可以根据其防御的有效性和/或微生物环境，从对宿主无害转变为致病性；因此，在通过群体感应控制协作的细菌群体中，对社会信号不敏感的“骗子”会偶尔但短期地扩张；因此，在这些细菌的宿主或竞争物种中进化出“群体猝灭”。

8. 一个在多个领域可供探索的系统！

  微生物相互作用的研究是一个不断发展的研究课题。所涉及的化学信号的特性和它们所控制的微生物功能的鉴定仍然是当前研究的挑战。除了医学研究外，关于群体感应的进化生物学和生态学研究表明，这种有条件的合作系统在共生进化和“微生物”与其宿主之间的其他相互作用，以及微生物群落对当前环境变化的适应中发挥着重要作用。因此，它的研究在致力于生态转型的环境科学中有其应有的地位。

9. 知识点

• 群体感应是细菌社会行为的关键机制之一，它基于细胞释放和检测小信号分子或“关键分子”，这些小信号分子在外界环境中的浓度随细菌浓度的增加而增加。
• 在外部环境中，当浓度超过一定阈值时，这些关键分子会使细胞切换到另一种协作类型的功能模式。
• 每个“物种”或菌株的特征，群体感应的分子信号是非常多样化的。
• 这种机制不是特别针对细菌的：最近该机制在其他微生物、原生生物和古菌中得到了证实。
• 在理论和进化的层面上，对群体感应的研究可以探索细菌和其他微生物的社会行为的进化，以及它们与宿主之间相互作用的进化——尤其是共生关系。
• 群体感应已经被广泛地研究在医学感兴趣的菌株，在那里开始被操纵以限制对人类有害的细菌活动。

 

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参考资料和说明

封面图片。小乌贼（夏威夷短尾鱿鱼）（来源:Chris Frazee & Margaret mcfalli [CC BY 4.0]）。

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译者：樊绍琪            审校：袁军涛                责任编辑：胡玉娇