李婷婷，國(guó)競(jìng)文，勵(lì)建榮*，方旭波，牟偉麗，馬永鈞，勞敏軍，沈琳

(1.大連民族大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116600；2.渤海大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧省食品安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 錦州 121013；3. 浙江海洋大學(xué)，浙江 舟山 316022；4. 蓬萊京魯漁業(yè)有限公司，山東 煙臺(tái) 265600；5. 浙江興業(yè)集團(tuán)有限公司，浙江 舟山 316101；6. 大連東霖食品股份有限公司，遼寧 大連 116007)

細(xì)菌生物被膜的研究進(jìn)展及與群體感應(yīng)的關(guān)系

李婷婷1，國(guó)競(jìng)文2，勵(lì)建榮2*，方旭波3，牟偉麗4，馬永鈞5，勞敏軍5，沈琳6

(1.大連民族大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116600；2.渤海大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧省食品安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 錦州 121013；3. 浙江海洋大學(xué)，浙江 舟山 316022；4. 蓬萊京魯漁業(yè)有限公司，山東 煙臺(tái) 265600；5. 浙江興業(yè)集團(tuán)有限公司，浙江 舟山 316101；6. 大連東霖食品股份有限公司，遼寧 大連 116007)

細(xì)菌生物被膜是細(xì)菌耐藥性形成的重要機(jī)制之一，是許多感染性疾病難以控制的主要原因，也是食品加工中存在的重大污染源。在生物被膜形成過(guò)程中，細(xì)菌的群體感應(yīng)系統(tǒng)起重要作用。文章在現(xiàn)有的理論和研究基礎(chǔ)上，就細(xì)菌生物被膜的特性以及群體感應(yīng)系統(tǒng)在細(xì)菌生物被膜形成過(guò)程中的作用進(jìn)行綜述，旨在為通過(guò)群體感應(yīng)抑制劑抑制生物被膜的形成提供全新的研究思路。[中國(guó)漁業(yè)質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)，2017,7(1):1-7]

細(xì)菌；生物被膜；群體感應(yīng)；相互關(guān)系

生物被膜(biofilm，BF)是指微生物黏附于有生命或非生命物體接觸表面，當(dāng)受到外界環(huán)境壓力時(shí)，如營(yíng)養(yǎng)極端匱乏或過(guò)剩、高滲透壓、低pH、氧化應(yīng)激、抗菌素和抗菌劑等，被自身分泌的多糖基質(zhì)、纖維蛋白、脂質(zhì)蛋白等胞外黏質(zhì)物包裹而形成的大量微生物聚集體[1-2]。生物被膜是細(xì)菌在自然條件下在物體表面生長(zhǎng)時(shí)形成的一種自我保護(hù)狀態(tài)，自然界中的任何細(xì)菌在成熟條件下都可以形成生物被膜，且90%以上的微生物是以生物被膜的形式生存生長(zhǎng)的[3]。由于菌群中的特殊亞群-持留菌(persister cell)的存在[4]，被膜菌的生物學(xué)特性、形態(tài)結(jié)構(gòu)、致病性以及對(duì)環(huán)境因子的敏感性等均與浮游菌有很大差異，且對(duì)人類(lèi)生活存在更嚴(yán)重的危害。在醫(yī)學(xué)上主要表現(xiàn)為對(duì)多種抗生素耐藥性增加和宿主免疫攻擊的耐受能力增強(qiáng)，80%以上的細(xì)菌性感染疾病過(guò)程中細(xì)菌是以生物被膜狀態(tài)存在的[5]，每年全球約有百萬(wàn)人因生物被膜感染發(fā)病或死亡[6]；在食品加工上主要表現(xiàn)為使生物膜中的細(xì)胞對(duì)清潔劑和抗菌劑的抗性提高，生物被膜的三維結(jié)構(gòu)是抗菌藥物的天然屏障，與普通細(xì)菌相比，能夠形成生物被膜的細(xì)菌對(duì)清洗和消毒劑的耐受力更強(qiáng)，為浮游菌的10～1 000倍[7]，導(dǎo)致加工設(shè)備表面無(wú)法嚴(yán)格清洗消毒，被膜所含的細(xì)胞及孢子不斷分離成為食品潛在的污染源[8-9]。

生物被膜造成了醫(yī)療、食品等領(lǐng)域大量人力、財(cái)力的浪費(fèi)，已成為不可忽視的公共衛(wèi)生問(wèn)題，因此抑制生物被膜的形成和根除生物被膜具有重要意義。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)多數(shù)細(xì)菌生物被膜的形成、發(fā)展需要群體感應(yīng)信號(hào)分子的參與[2]，因此，采用抑制細(xì)菌群體感應(yīng)系統(tǒng)的方式能夠抑制生物被膜的形成。群體感應(yīng)抑制劑(QSI)通過(guò)提高生物被膜的敏感性與宿主感染生物被膜后的存活率來(lái)提高抗生素治療的成功率[10]，在降低細(xì)菌致病力的同時(shí)又不會(huì)使細(xì)菌產(chǎn)生抗藥性，因此利用它來(lái)控制生物被膜的形成引起了人們廣泛的關(guān)注。本文立足于生物被膜的形成及與群體感應(yīng)的關(guān)系，闡明通過(guò)干擾細(xì)菌群體感應(yīng)信號(hào)分子來(lái)破壞細(xì)菌生物被膜，旨在為解決由生物被膜引起的細(xì)菌耐藥、耐清潔劑的問(wèn)題提供全新的研究思路。

1 細(xì)菌生物被膜

1.1 生物被膜的組成及結(jié)構(gòu)

生物被膜的組成成分包括多糖基質(zhì)、脂蛋白、多糖蛋白及表面蛋白、纖維蛋白、胞外DNA(eDNA)等。細(xì)菌依靠靜電力以特異性或非特異性的方式黏連在細(xì)胞之間及表面，當(dāng)黏連于細(xì)胞基質(zhì)時(shí)就會(huì)形成大量不易溶解的胞外多聚物(EPS)，當(dāng)多種細(xì)菌的EPS、宿主細(xì)胞或血小板混合在一起時(shí)便形成了混合的生物被膜，從而具備抵抗宿主的免疫反應(yīng)及抗生素攻擊的能力。

生物被膜的形態(tài)、緊密度及厚薄度因細(xì)菌種類(lèi)及環(huán)境條件不同而有一定差異[11]。生物被膜不是細(xì)菌隨意堆積形成的，而是一種相互協(xié)調(diào)構(gòu)成高度分化結(jié)構(gòu)的群體。生物被膜模型化后從外到內(nèi)依次為：主體層(bulk of biofilm)、連接層(linking film)、調(diào)節(jié)層(conditioning film)及基質(zhì)層(substratum)[12]，細(xì)菌定植在“蘑菇”狀的基質(zhì)中。在細(xì)菌群落之間存在著充滿環(huán)境液體的“水通道”，利用此通道細(xì)菌可以與外界進(jìn)行交流，獲取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)或排出代謝廢物[13-14]。

根據(jù)細(xì)菌在生物膜內(nèi)形成的不同位置可以細(xì)分為：游離菌、表層菌和深層菌。表層菌獲得氧氣與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)較方便，代謝產(chǎn)物也易于排出，因而活動(dòng)較為活躍、分裂較快、菌體相對(duì)較大且對(duì)抗菌藥物敏感，游離菌性質(zhì)與之相似；而深層菌由于被多糖蛋白復(fù)合物包圍，不易獲取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)且代謝產(chǎn)物易堆積，體積較小、分裂較慢，故處于靜止或休眠狀態(tài)。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，生物被膜中水合物含量只占約15%，其余85%成分為胞外多聚物，它是生物被膜結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，其作用是利于細(xì)菌形成生物被膜而早期吸附在物體表面，并作為細(xì)菌抵抗外界攻擊的屏障[15]。

1.2 生物被膜的形成過(guò)程

生物被膜的形成是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程，受到多種因素的影響，通常在粗糙或涂有特殊物質(zhì)的表面上更易形成生物被膜，細(xì)胞間信號(hào)分子與胞外多聚物的相互作用亦是生物被膜形成的關(guān)鍵所在[16]。細(xì)菌生物被膜的形成主要分為3個(gè)階段。細(xì)菌黏附于接觸表面生物被膜形成的第一階段，這種黏附作用主要是細(xì)菌表面特定的黏附素蛋白識(shí)別接觸表面受體的結(jié)果，具有選擇性和特異性[17]，由于這種接觸并黏附的過(guò)程很快，因此完全控制生物被膜的形成幾乎不可能。成熟是細(xì)菌生物被膜形成的第二階段，生物被膜的結(jié)構(gòu)由扁平不均一向高度結(jié)構(gòu)化發(fā)展，此過(guò)程易受到細(xì)胞游動(dòng)性及胞外聚合基質(zhì)產(chǎn)生的影響。聚集和分散是生物被膜形成的第三階段，通過(guò)胞外基質(zhì)的聚集使膜內(nèi)化學(xué)梯度急劇上升。由于細(xì)菌所處環(huán)境非常擁擠且養(yǎng)料有限，當(dāng)受到某些外部因素的影響，部分細(xì)菌會(huì)從生物被膜上脫離，但是離開(kāi)的細(xì)菌會(huì)重新開(kāi)始黏附、成熟、聚集和分散這一過(guò)程，這樣感染就在不斷加重，這便是目前細(xì)菌生物被膜感染難以治療和清除的原因之一。

1.3 生物被膜的特性

生物被膜具有高度的結(jié)構(gòu)性、協(xié)調(diào)性、功能性與不均質(zhì)性，其深處與淺處的細(xì)菌無(wú)論體積大小或代謝活性都有明顯不同[18]。由于生物被膜內(nèi)的細(xì)菌具有多種代謝狀態(tài)，因而不同條件下均有細(xì)菌能夠存活下來(lái)。生物被膜是穩(wěn)定不同物種間相互作用或使其發(fā)生特征性變化的一種獨(dú)特方式，具有影響生物群體的功能。如當(dāng)需氧生物處于低氧環(huán)境中時(shí)，生物被膜會(huì)迫使其適應(yīng)低氧應(yīng)激環(huán)境以達(dá)到生存的目的[13]；當(dāng)細(xì)菌處于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)極度匱乏的饑餓環(huán)境時(shí)，生物被膜會(huì)產(chǎn)生應(yīng)激應(yīng)答反應(yīng)，此種反應(yīng)代表了細(xì)菌會(huì)采取促使進(jìn)化及改變遺傳差異的方式來(lái)抵抗不利環(huán)境。形成成熟生物被膜的細(xì)菌比浮游狀態(tài)下的細(xì)菌更具耐酸性與抗饑餓能力，Welin等[19]研究發(fā)現(xiàn)變異鏈球菌生物被膜細(xì)胞對(duì)酸的耐受能力普遍較強(qiáng)，是浮游狀態(tài)細(xì)胞的820～70 000倍；Zhu等[20]研究指出同時(shí)對(duì)變異鏈球菌浮游狀態(tài)下與生物被膜狀態(tài)下的細(xì)菌做無(wú)底物的饑餓處理后，其生物被膜狀態(tài)下表現(xiàn)出更強(qiáng)的抗饑餓能力。此外，被膜菌與浮游菌在蛋白表達(dá)[21]、基因表達(dá)[22]方面都有一定的差異性。生物被膜的形成使得細(xì)菌在極端不利的環(huán)境中仍能抵抗外界壓力、增強(qiáng)細(xì)胞耐受力，促使微生物學(xué)家對(duì)這種群落行為的形成過(guò)程進(jìn)行全面系統(tǒng)的研究。

1.4 生物被膜檢測(cè)方法

由于細(xì)菌形成的生物被膜被自身分泌的胞外多糖包裹著，因此須通過(guò)特定的方法才能對(duì)其進(jìn)行定性和定量研究。

1.4.1 生物被膜定性研究方法

1)試管法 菌液與試管的液面交界處是生物被膜的形成部位，生物被膜一旦形成則很難被清除，可通過(guò)結(jié)晶紫染色后用冰醋酸溶解，通過(guò)顏色深淺定量檢測(cè)生物被膜大小[23]。此法簡(jiǎn)單快捷、所需實(shí)驗(yàn)條件較低，適用于生物被膜的初步定性檢測(cè)。溶藻弧菌[24]、霍亂弧菌[25]都曾用此方法進(jìn)行檢測(cè)。

2)銀染法 此法原理是利用AgNO3溶液等浸泡處理后，將細(xì)菌生物被膜中的多糖蛋白復(fù)合物染成灰褐色或黑色，通過(guò)銀染初步判斷不同培養(yǎng)階段生物被膜中多糖蛋白復(fù)合物的變化規(guī)律，評(píng)價(jià)細(xì)菌的黏附性[26]。

3)掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM) 用電子束及電子透鏡代替光束及光學(xué)透鏡，通過(guò)高倍放大物質(zhì)的細(xì)微結(jié)構(gòu)，分辨率可達(dá)納米級(jí)甚至更小。此法優(yōu)點(diǎn)是可觀察到細(xì)菌生物被膜的形態(tài)結(jié)構(gòu)及胞外多糖和蛋白的特征，但缺點(diǎn)是電子束的照射會(huì)使樣品受到輻照損傷，且儀器造價(jià)過(guò)高。

4)激光共聚焦掃描顯微鏡(CSLM) 作為近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高級(jí)新技術(shù)，具有普通光鏡及電鏡無(wú)法超越的優(yōu)勢(shì)。CSLM可對(duì)生物被膜進(jìn)行分層掃描，對(duì)生物被膜的厚度、均一性、熒光強(qiáng)度等進(jìn)行量化，且浮游細(xì)菌清晰可見(jiàn)。通過(guò)圖象軟件可以從各個(gè)角度觀察生物被膜三維視圖，結(jié)合計(jì)算軟件將三維圖象數(shù)據(jù)化，從而使生物被膜的特征量化。

1.4.2 生物被膜定量研究方法

1)微孔板法 微孔板可用于培養(yǎng)細(xì)菌生物被膜，其側(cè)壁是生物被膜的形成部位，該法既能定性判斷生物被膜的形成情況，也能定量計(jì)算生物被膜的形成能力，且有批量處理的優(yōu)勢(shì)[27]。

2)菌體計(jì)數(shù)法 通過(guò)計(jì)算生物被膜中菌體數(shù)量對(duì)生物被膜進(jìn)行量化，利用超聲或渦旋的機(jī)械方法，將生物被膜從與其黏附的表面結(jié)構(gòu)分離，結(jié)合平板菌落法對(duì)生物被膜內(nèi)的活菌進(jìn)行計(jì)數(shù)。此法缺點(diǎn)是只能計(jì)算活菌，然而死菌也是生物被膜的重要組成部分，故此法可行性較低。

3)結(jié)晶紫染色法 此法利用的原理是結(jié)晶紫可與生物被膜牢固結(jié)合，不易被水洗脫，但可在冰醋酸中較好溶解，通過(guò)顏色深淺并利用酶標(biāo)儀測(cè)定OD值來(lái)判斷形成生物被膜大小[28]。該法簡(jiǎn)便快捷，適用于96孔板及試管法形成生物被膜的測(cè)定。

4)熒光法 利用不同的熒光燃料可以選擇性地觀察生物被膜，利用Syto9及碘化丙錠發(fā)出的不同熒光還可以區(qū)分生物被膜中的活菌與死菌[29]。

2 細(xì)菌的群體感應(yīng)系統(tǒng)

群體感應(yīng)(quorum sensing，QS)是細(xì)菌根據(jù)群體中細(xì)胞密度變化來(lái)調(diào)控自身基因表達(dá)的一種群體行為，是當(dāng)細(xì)菌的數(shù)量達(dá)到一定密度時(shí)才會(huì)發(fā)生的感應(yīng)現(xiàn)象[30]。當(dāng)在特定的環(huán)境中細(xì)菌數(shù)量增加時(shí)，由細(xì)菌的Lux I蛋白所合成的信息分子濃度會(huì)隨之增大，當(dāng)信號(hào)分子的濃度積累到一定閾值時(shí)與細(xì)胞質(zhì)中的受體蛋白結(jié)合，引起受體蛋白構(gòu)象發(fā)生變化，靶基因與基因編碼酶的表達(dá)被激活，進(jìn)而表現(xiàn)出一系列的行為特征，如生物發(fā)光、質(zhì)粒的接合轉(zhuǎn)移、毒性基因的表達(dá)、細(xì)菌的群集泳動(dòng)以及生物被膜的形成等[30-31]。介導(dǎo)微生物群體感應(yīng)的信號(hào)分子有多種，不同種類(lèi)的細(xì)菌利用不同結(jié)構(gòu)的信號(hào)分子來(lái)調(diào)控群體感應(yīng)系統(tǒng)基因的表達(dá)。常見(jiàn)的群體感應(yīng)系統(tǒng)大致分為以下幾類(lèi)。

2.1 革蘭氏陰性菌中的群體感應(yīng)系統(tǒng)(AI-1)

多數(shù)革蘭氏陰性細(xì)菌的信號(hào)分子為N-?；呓z氨酸內(nèi)酯(N-acylhomoserine lactone, AHLs)也叫做AI-1。由一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的高絲氨酸內(nèi)酯環(huán)和一條長(zhǎng)度為4～18個(gè)碳的酰基側(cè)鏈組成，由于酰基側(cè)鏈可能形成雙鍵或第三個(gè)碳上容易被羥基或氧取代，因此AHLs具有特異性。LuxI/LuxR系統(tǒng)是革蘭氏陰性菌中研究最為透徹的AI-1型交流系統(tǒng)，目前已在許多細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)類(lèi)似費(fèi)式弧菌LuxI/LuxR系統(tǒng)的群體感應(yīng)系統(tǒng)，如根癌農(nóng)桿菌的TraI/TraR系統(tǒng)，銅綠假單胞菌的LasI/LasR系統(tǒng)和Rh1I/Rh1R系統(tǒng)等[32]。

2.2 革蘭氏陽(yáng)性菌的群體感應(yīng)系統(tǒng)(AIP)

革蘭氏陽(yáng)性菌的信號(hào)分子為寡肽類(lèi)(autoinducing peptides, AIPs)，它的結(jié)構(gòu)與AI-1有所不同，是由自身分泌的經(jīng)過(guò)修飾加工的前導(dǎo)肽。AIPs不能自由出入細(xì)胞，需要在ABC轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的協(xié)助下才能穿過(guò)細(xì)胞壁，且具有密度依賴性的特點(diǎn)，當(dāng)累積到一定濃度閾值時(shí)，被膜上的AIP信號(hào)識(shí)別系統(tǒng)則會(huì)啟動(dòng)相應(yīng)調(diào)控機(jī)制[33]。革蘭氏陽(yáng)性菌的QS系統(tǒng)對(duì)細(xì)菌的多種行為都有調(diào)控，如調(diào)控金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)的外毒素分泌[34]，調(diào)控枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)芽孢的產(chǎn)生[35]，調(diào)控突變鏈球菌(S.mutans)生物被膜的形成[36]。

2.3 細(xì)菌種屬間的群體感應(yīng)系統(tǒng)

細(xì)菌種屬間存在另一類(lèi)信號(hào)分子AI-2(Autoinducer-2)，用于不同種屬細(xì)菌之間的相互交流。細(xì)菌通過(guò)環(huán)境中AI-2濃度了解環(huán)境中自身和其他細(xì)菌的數(shù)量，以此來(lái)調(diào)控自身表型的表達(dá)。AI-2類(lèi)信號(hào)分子是由LuxS蛋白質(zhì)催化合成的呋喃酮酰硼酸二酯(furanosyl borate diester)，特征基因?yàn)橐欢伍L(zhǎng)度約500 bp的具有保守性的luxS基因[37]。研究表明牙齦卟啉單胞菌(Porphyromonasgingivalis)生物被膜的形成受到luxS基因的調(diào)控[38]。

2.4 其他群體感應(yīng)機(jī)制

除此之外，細(xì)菌還存在另一些群體感應(yīng)系統(tǒng)，如在一些腸道共生細(xì)菌、腸致病性大腸桿菌等革蘭氏陰性菌中發(fā)現(xiàn)的以人類(lèi)產(chǎn)生的腎上腺素/去甲腎上腺素為信號(hào)分子的AI-3型群體感應(yīng)系統(tǒng)[39]，在銅綠假單胞菌中發(fā)現(xiàn)的喹諾酮類(lèi)信號(hào)分子[40]，在弗氏檸檬酸桿菌(Citorbacterfreundii)的培養(yǎng)上清中提取的二酮哌嗪類(lèi)化合物DKPs(diketopiperazine)[41]，在霍亂弧菌(Vibriochoierae)和哈維氏弧菌(Vibrioharveyi)中發(fā)現(xiàn)的CAI-1型群體感應(yīng)系統(tǒng)[42]。

3 生物被膜與群體感應(yīng)的關(guān)系

根據(jù)生物被膜的形成過(guò)程，常見(jiàn)的控制生物被膜的方法主要有以下幾種：阻止微生物黏附、抑制生物被膜的形成及清除已形成的生物被膜，常用的方法有運(yùn)用物理超聲法去除生物被膜、運(yùn)用生物電效應(yīng)與抗生素聯(lián)合治療被膜菌感染、降解生物被膜的細(xì)胞外基質(zhì)、運(yùn)用噬菌體抑制細(xì)菌生物被膜的生長(zhǎng)、抑制細(xì)菌細(xì)胞間的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)(即群體感應(yīng)系統(tǒng))，本文主要介紹通過(guò)群體感應(yīng)抑制生物被膜形成的方法[43-44]。

3.1 生物被膜與群體感應(yīng)的關(guān)系

1998年，Davies等[45]在Science中描述了銅綠假單胞菌las系統(tǒng)在細(xì)菌生物被膜形成中的作用，首次表述了QS與生物被膜關(guān)系。隨著相關(guān)研究的擴(kuò)展和深入，QS系統(tǒng)在生物被膜形成中的調(diào)控機(jī)制也逐漸清楚。生物被膜的形成受到多種因素的影響，有研究表明在細(xì)菌由浮游態(tài)向生物被膜態(tài)轉(zhuǎn)變的過(guò)程中存在著許多聯(lián)系緊密的信號(hào)傳導(dǎo)通路，其作用是協(xié)調(diào)細(xì)菌之間的各項(xiàng)生理活動(dòng)和基因的表達(dá)，影響其致病性與耐藥性以趨利避害[46]。群體感應(yīng)系統(tǒng)是目前備受關(guān)注的細(xì)菌生物膜內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)，QS在不同細(xì)菌中的共同調(diào)控位點(diǎn)即為生物被膜的形成與抗性[47]。當(dāng)環(huán)境條件不利于細(xì)菌生長(zhǎng)時(shí)，細(xì)菌間能夠通過(guò)QS系統(tǒng)傳遞信息，建立壁壘(生物膜)并進(jìn)行頑固化來(lái)適應(yīng)不利條件。如果群體感應(yīng)系統(tǒng)缺失，形成的生物膜就會(huì)變得稀薄。QS系統(tǒng)除了影響成膜菌的數(shù)量外，對(duì)細(xì)菌生物膜胞外多糖聚合物(EPS)的含量以及細(xì)胞表面的疏水性(hydrophobicity)都有不同程度的影響。

目前的研究結(jié)果表明，在生物被膜形成的3個(gè)階段中都有QS參與。洋蔥伯克霍爾德菌(Burkholderiacepacia)H111的cepI/R QS系統(tǒng)可以調(diào)控細(xì)菌生物被膜成熟[48]，嗜水氣單胞菌(Aeromonashydrophila)的ahyR/I acyl-HSL QS系統(tǒng)對(duì)生物被膜成熟是必需的[49]，霍亂弧菌用QS調(diào)控胞外多糖的產(chǎn)生，胞外多糖用vps操縱子編碼，可以調(diào)控細(xì)菌的聚集和表面附著[50]。

在群體感應(yīng)系統(tǒng)中，各類(lèi)信號(hào)分子在調(diào)控生物被膜的形成中都起到非常重要的作用。郭紅[51]報(bào)道凡納濱對(duì)蝦中的優(yōu)勢(shì)腐敗菌不動(dòng)桿菌Aci-1和Aci-2產(chǎn)生的AHLs可以調(diào)控其生物被膜的形成。信號(hào)分子Autoinducers-2(AI-2)作為革蘭氏陽(yáng)性菌和革蘭氏陰性菌共同識(shí)別的一類(lèi)通用信號(hào)分子，在調(diào)控混合菌生物被膜的形成中具有重要作用[52]。Barrios等[53]發(fā)現(xiàn)液化沙雷式菌(Serratialiquefaciens)和霍亂弧菌(Vibriocholera)的生物被膜形成過(guò)程中的細(xì)胞聚集以及外聚合物的合成分別受群體感應(yīng)信號(hào)分子AI-2的調(diào)控。王娜[54]研究發(fā)現(xiàn)金黃色葡萄球菌生物被膜的形成受到QS調(diào)控。金黃色葡萄球菌的agr操縱子中的agrD編碼自誘導(dǎo)物(autoinducer, AI)從而編碼QS，當(dāng)AI積累到一定閾值時(shí)，agrD通過(guò)TCS AgrCA控制小的非編碼RNA-RNAIII的表達(dá)，從而使生物被膜形成必需基因黏附素的表達(dá)下調(diào)。

3.2 利用群體感應(yīng)抑制劑(QSI)調(diào)控生物被膜的形成

由于生物被膜的形成在衛(wèi)生醫(yī)療以及食品安全等領(lǐng)域具有嚴(yán)重威脅，對(duì)此科研人員已做了大量抑制生物被膜的形成的研究，比如利用抗菌肽、香精油類(lèi)等抑制生物被膜的形成[55-56]。群體感應(yīng)抑制劑(QSI)是一種防治生物被膜形成的有效方法。QSI以抑制細(xì)菌的群體感應(yīng)系統(tǒng)為靶點(diǎn)，主要分為肽類(lèi)化合物、非肽類(lèi)小分子化合物(分為天然來(lái)源與人工合成兩類(lèi))和蛋白質(zhì)等。肽類(lèi)化合物主要為針對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌利用的自誘導(dǎo)分子(小分子多肽AIP)而產(chǎn)生的AIP類(lèi)似物。天然非肽類(lèi)QSI可從高等植物、動(dòng)物組織及一些微生物所產(chǎn)生的次級(jí)代謝產(chǎn)物中提?。蝗斯ず铣煞请念?lèi)QSI主要分為AHL類(lèi)似物、溴化呋喃酮類(lèi)似物、AI-2同系物等。蛋白質(zhì)類(lèi)QSI主要分為QS猝滅酶和QS猝滅抗體兩類(lèi)[57]。

細(xì)菌群體感應(yīng)系統(tǒng)功能異常直接影響生物被膜的形成。研究表明由銅綠假單胞菌的Lasl和rhll突變體形成的生物被膜，其對(duì)抗生素的敏感性遠(yuǎn)強(qiáng)于標(biāo)準(zhǔn)菌株的生物被膜，與后者相比，前者形成的生物被膜非常不穩(wěn)定，生物被膜內(nèi)的大多數(shù)細(xì)菌易消散、脫離，其原因是由于銅綠假單胞菌的Lasl和rhll突變體中細(xì)菌存在不利于生物被膜形成的顫動(dòng)能力缺陷[58]。葡萄球菌引起的感染疾病大多與細(xì)菌生物被膜形成有關(guān)。Kiran等[59]指出葡萄球菌QS系統(tǒng)中激活肽RAP活性被anti-RAP、anti-TRAP抗體等抑制時(shí)，其毒性也被抑制。當(dāng)靶分子TARP沒(méi)有被表達(dá)或磷酸化時(shí)，細(xì)菌就無(wú)法黏附形成生物被膜，從而不能產(chǎn)生毒性引起感染疾病。Brackman等[48]間接證實(shí)了伯霍爾德桿菌屬(Burkholderia)的群體感應(yīng)系統(tǒng)調(diào)控其生物被膜的形成，研究發(fā)現(xiàn)以肉桂醛、白藜蘆醇為群體感應(yīng)抑制劑可以影響生物被膜的黏附能力。Lee等[60]報(bào)道了3-吲哚乙腈可以減少大腸埃希菌O157：H7細(xì)菌生物被膜的形成和銅綠假單胞菌毒性因子的表達(dá)。

4 結(jié)論與展望

綜上所述，細(xì)菌生物被膜的形成是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，受到多種信號(hào)分子的調(diào)控。QS對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌與革蘭氏陰性菌生物被膜的形成均有重要作用，并且在生物被膜的形成階段始終伴隨QS的調(diào)控，所以干擾QS系統(tǒng)將成為抑制生物被膜的有效手段。QSI來(lái)源于天然或人工合成的小分子化合物，作用是競(jìng)爭(zhēng)性干擾或破壞AI與受體蛋白的結(jié)合過(guò)程，降低AI在細(xì)菌中的濃度閾值，影響QS系統(tǒng)最終達(dá)到抑制生物被膜的目的。未來(lái)應(yīng)加大對(duì)QS調(diào)控生物被膜的研究，尋找更多能夠抑制細(xì)菌生物被膜的QS抑制劑，并對(duì)抑制機(jī)理進(jìn)行更深入透徹的研究，為徹底治療細(xì)菌生物被膜感染性疾病以及防治生物被膜對(duì)食品加工造成的災(zāi)害性污染帶來(lái)新希望。

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Research progress of bacterial biofilm and its relationship with quorum sensing

LI Tingting1,GUO Jingwen2,LI Jianrong2*,FANG Xubo3,MOU Weili4,MA Yongjun5, LAO Minjun5, SHEN Lin6

(1.College of Life Science, Dalian Minzu University, Dalian 116600, China; 2. Liaoning Provincal Key Laboratory of Food Safety, Food Science Research Institute, Bohai University, Jinzhou 121013, China; 3. Zhejiang Ocean University, Zhoushan 316022, China; 4. Penglai Jinglu Fishery Co.,Ltd,Yantai 265600,China; 5. Zhejiang Xingye Group, Zhoushan 316022, China; 6.Dalian Donglin Food Co., Ltd, Dalian 116007, China )

Bacterial biofilm is one of the important mechanisms of the formation of bacterial resistance. Biofilm is the main reason that many infectious diseases are difficult to control, and it is also a major source of pollution in the process of food processing. In the biofilm formation process, the quorum sensing system plays an important role. Based on the existing theory and research, the characteristics of bacterial biofilm and the role of population sensing system in bacterial biofilm formation were reviewed in order to provide a new study idea for the inhibition of biofilm formation by population induction inhibitors. [Chinese Fishery Quality and Standards, 2017, 7(1):1-7]

bacteria; biofilm; quorum sensing; relationship

LI Jianrong, lijr6491@163.com

10.3969/j.issn.2095-1833.2017.01.001

2016-10-31；接收日期：2016-12-10

國(guó)家自然科學(xué)基金(31301418)；中國(guó)博士后科學(xué)基金(2014M552302)

李婷婷(1978-)，女，博士，副教授，碩導(dǎo)，研究方向?yàn)樗a(chǎn)品貯藏加工及質(zhì)量安全，tingting780612@163.com 通信作者：勵(lì)建榮，博士，教授，博導(dǎo)，研究方向?yàn)樗a(chǎn)品和果蔬貯藏加工及食品安全，lijr6491@163.com

S984.1+1

A

2095-1833(2017)01-0001-07