李曉萌，姜威，梁泉峰，祁慶生

（山東大學微生物技術國家重點實驗室，山東青島266237）

生物體之間能夠進行基礎的交流和簡單的信息交換，這是生命存在的標志。之前，人們一直認為只有多細胞生物才具備進行任何形式信息交流的能力，很少有細菌能通過特定的、可擴散的信號分子進行通訊。隨著對微生物學的不斷深入研究，發(fā)現(xiàn)微觀世界的原核生物之間也可以利用不同的“語言”進行信息交流，進而以類似多細胞生物的群體模式對變化的環(huán)境做出不同的響應［1］。這種細胞與細胞間的通訊工程被稱為群體感應（quorum sensing，QS），即細菌能夠通過同時響應周圍微生物群落的細胞密度和物種組成的變化來相應地改變行為［2-3］。群體感應涉及胞外信號分子的產(chǎn)生、釋放和群體范圍內(nèi)的檢測，這些信號分子被稱為自體誘導物（autoinducer，AI）。AI的濃度會隨著細胞密度的增加而不斷提高，達到一定的濃度后，可以和胞內(nèi)的受體蛋白相結(jié)合形成受體蛋白復合體，最終改變基因表達的整體模式［4］。由群體感應控制的過程包括生物發(fā)光、抗生素的合成，固氮基因調(diào)控，致病基因的表達、細菌運動和生物被膜的形成等［5］。利用單個細胞進行這些過程，成本高且低效，但利用細胞群體去進行時會有相對較高的效率［6］。已有研究表明，細菌既可以利用QS進行種內(nèi)特異性交流，也可以利用QS感知周圍種群細菌的數(shù)量來調(diào)控自身的行為，實現(xiàn)種群間的交流［7-8］。解析群體感應系統(tǒng)以及由其介導的跨界信息交流和信號轉(zhuǎn)導機制，不僅為明確病原菌致病調(diào)控機理、闡明微生物生態(tài)競爭和動態(tài)平衡機制提供了一個全新的切入點，同時也為調(diào)控微生物生態(tài)體系和發(fā)展新的病害防控策略等奠定了堅實的基礎。因此，本文作者中將會詳細介紹群體感應系統(tǒng)的主要作用、機制以及群體感應系統(tǒng)在合成生物學中的研究進展。

1 自然界細菌群體感應系統(tǒng)及其主要作用機制

細菌之間可以通過自身合成信號分子來實現(xiàn)種內(nèi)和種間的信息交流，使其能與多細胞生物一樣，行使單個細胞無法完成的功能［9］。到目前為止，發(fā)現(xiàn)的自誘導物信號分子基本分為3類：N-?；呓z氨酸內(nèi)酯（N-acylated homoserine lactones，AHLs）類的信號分子；氨基酸和短肽類物質(zhì)（autoinducing peptides，AIPs），這兩類自體誘導物主要協(xié)助實現(xiàn)種內(nèi)交流；而第三種信號分子則是呋喃酰硼酸二酯（furanosyl borate diester，即AI-2型信號分子），可協(xié)助實現(xiàn)種間交流［10］。細菌中常見的群體感應系統(tǒng)組成及其調(diào)控的功能可見表1。而根據(jù)細菌群體發(fā)揮功能作用的不同，可以將細菌群體感應系統(tǒng)分為4種類型：調(diào)控生物發(fā)光、生物被膜形成、孢子形成以及產(chǎn)生毒力的群體感應系統(tǒng)。

表1 細菌典型的群體感應系統(tǒng)及其功能Tab.1 Typical QS systems and functions in bacteria

1.1 調(diào)控生物發(fā)光的群體感應系統(tǒng)：LuxI/R、AI-2群體感應系統(tǒng)

20世紀60年代，曾有人對海洋魚類的共生菌——費氏弧菌（Vibrio fischeri）的發(fā)光現(xiàn)象進行研究，發(fā)現(xiàn)費氏弧菌定植于夏威夷魷魚的發(fā)光器官內(nèi)，其發(fā)光現(xiàn)象與菌群密度變化有關［11］。在海水中時，費氏弧菌濃度較低，其周圍的信號分子濃度也較低，整個細菌群體呈黑色。只有當細菌密度達到一定濃度時，才會產(chǎn)生生物發(fā)光現(xiàn)象，這樣會更有利于與費氏弧菌共生的海洋魚類進行捕食和躲避天敵等活動［12］。作為互利共生的另一方，該海洋魚類也會為費氏弧菌提供一個優(yōu)越的生活環(huán)境，使其可以利用宿主體內(nèi)豐富的營養(yǎng)物達到相當高的群落密度［13］。目前，以費氏弧菌的LuxI/R群體感應系統(tǒng)作為革蘭氏陰性菌群體感應研究的一個經(jīng)典模型（圖1）。費氏弧菌的生物發(fā)光基因lux基因簇由8個基因（luxA～E、luxG、luxI和luxR）組成［14］。其群體感應系統(tǒng)包括兩個操縱子luxICDABE、luxR。其中操縱子luxICDABE負責編碼自誘導物合成酶基因（luxI）和發(fā)光基因（luxCDABEG）。LuxI合成信號分子N-3-氧-己酰高絲氨酸內(nèi)酯（3-oxo-C6-HSL，OHHL）。而操縱子luxR負責編碼信號分子受體蛋白LuxR。在細胞密度較低的情況下，luxI進行基礎水平的轉(zhuǎn)錄，隨著細胞密度增加，OHHL在培養(yǎng)基中不斷積累，在達到閾值水平后會與LuxR的自誘導域結(jié)合形成復合體。然后，LuxR-OHHL復合物會結(jié)合到luxI上游的lux啟動子區(qū)域（lux盒），啟動熒光素酶亞基基因luxICDABEG的表達［15］，實現(xiàn)費氏弧菌群體的發(fā)光。同時，會形成正反饋回路，進一步表達luxI并產(chǎn)生更多的OHHL［16］。

圖1 LuxI/LuxR群體感應系統(tǒng)示意圖（以V.fischeri為例）Fig.1 Schematic of LuxI/LuxR quorum sensing system(V.fischeri as an example)

除了LuxI/R群體感應系統(tǒng)外，海洋細菌——夏威夷弧菌（Vibrio harveyi）同時具有革蘭氏陰性菌和陽性菌群體感應的調(diào)控系統(tǒng)以共同調(diào)控生物發(fā)光現(xiàn)象［17］。與其他革蘭氏陰性菌一樣，夏威夷弧菌會產(chǎn)生信號分子AHL作為自體誘導物（AI-1），但它的信號感應及傳遞組分則類似革蘭氏陽性菌的雙組分蛋白質(zhì)［18］。夏威夷弧菌還會產(chǎn)生第2套自體誘導系統(tǒng)AI-2，與其他細菌中的高絲氨酸內(nèi)酯類自體誘導物不同，是由LuxS蛋白合成，一般作為細菌種間信息交流的信號分子［19］。夏威夷弧菌的群體感應系統(tǒng)的具體調(diào)控方式如下：在細胞密度較低時，由于缺少AI-1和AI-2，LuxN和LuxQ作為磷酸激酶會將LuxN磷酸化，隨后將LuxO磷酸化，磷酸化后的LuxO成為活性阻遏蛋白，間接抑制編碼熒光素酶基因luxCDABE的轉(zhuǎn)錄，因此在細胞密度較低時夏威夷弧菌不產(chǎn)生熒光。當細菌種群密度達到一定閾值后，自體誘導物AI-1和AI-2會分別與LuxN和LuxPQ作用，使其在具備磷酸酶活性后將信息傳遞到磷酸轉(zhuǎn)移蛋白酶LuxU，從而使LuxO去磷酸化成為無活性阻遏蛋白，解除對luxCDABE的抑制作用，使夏威夷弧菌發(fā)光［20］。與此機制相似，霍亂弧菌（Vibrio cholerae）也是利用磷酸化-去磷酸化這一復雜的群體感應系統(tǒng)來調(diào)控基因的表達［21］。

1.2 生物被膜形成的群體感應系統(tǒng)：Las/Rhl/喹諾酮群體感應系統(tǒng)

銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）是引起癌癥、艾滋病和囊性纖維化（cystic fibrosis，CF）等疾病的重要條件致病菌，可以從土壤和水中分離得到，通過高絲氨酸內(nèi)酯介導的QS系統(tǒng)調(diào)控其生命活動過程［22-23］。銅綠假單胞菌之所以成為一種典型的條件致病菌，主要是因為它可以協(xié)同釋放毒力因子，包括外蛋白酶、脂肪酶和外毒素等，其中絕大部分毒力因子由群體感應調(diào)節(jié)［24］。此外，銅綠假單胞菌經(jīng)常會黏附于人體組織表面，通過分泌一些脂質(zhì)蛋白和纖維蛋白，將其自身包裹其中形成一個高度組織化的膜樣聚合物，即生物被膜，從而抵御人體免疫系統(tǒng)以及傳統(tǒng)抗生素的治療［25］。群體感應系統(tǒng)會通過調(diào)控生物被膜結(jié)構(gòu)形成、細菌黏附以及其從生物被膜上解離并重新定植等過程，進而影響銅綠假單胞菌的耐藥性。研究發(fā)現(xiàn)銅綠假單胞菌群體形成生物被膜后，耐藥性會有顯著提高［26］，其機制很有可能是生物被膜會阻止抗菌藥物進入膜內(nèi)尤其是對膜內(nèi)較深層的細菌發(fā)揮作用。

銅綠假單胞菌的群體感應系統(tǒng)包含基于?；呓z氨酸內(nèi)酯的Las、Rhl信號系統(tǒng)［27］以及基于2-烷基-4（1H）-喹諾酮［2-alkyl-4（1H）-quinolone，AHQ］的喹諾酮信號系統(tǒng)等［28］，它們共同構(gòu)成了一個非常復雜的級聯(lián)調(diào)控系統(tǒng)。之前通過大量的遺傳學研究揭示了LasR/I和RhlR/I這兩個群體感應系統(tǒng)，Las和Rhl系統(tǒng)的自誘導分子分別是AHL同系物3-氧十二烷酰高絲氨酸內(nèi)酯［N-（3-oxododecanoyl）-Lhomoserine lactone，3-oxo-C12-HSL］和丁基高絲氨酸內(nèi)酯（N-butanoylhomoserine lactone，C4-HSL）。Las、Rhl系統(tǒng)分別由轉(zhuǎn)錄激活因子lasR、rhlR和信號合成酶lasI、rhlI組成。通過這兩個群體感應系統(tǒng)的作用，細菌可以在不同的感染階段表達不同的毒力因子，提高毒性［29］。而喹諾酮類則包含較多的自誘導分子，2-庚基-3-羥基-4-喹諾酮（2-heptyl-3-hydroxy-4-quinolone，PQS）和其前體2-庚基-3-羥 基-4-喹啉（2-heptyl-3-hydrox-y-4-quinoline，HHQ）就是其中的兩種。在Las系統(tǒng)中，細胞種群密度較低時，LasI會產(chǎn)生較低水平的3-oxo-C12-HSL。隨著種群密度不斷增加達到一定閾值后，3-oxo-C12-HSL會與LasR結(jié)合。它們形成的復合物LasR-3-oxo-C12-HSL會激活很多基因進行轉(zhuǎn)錄，包括lasB、toxA、rhlR和lasI。當復合物激活lasI后，會產(chǎn)生一個積極的正反饋調(diào)節(jié)通路。同時3-oxo-C12-HSL本身也具有免疫調(diào)節(jié)活性，單獨的3-oxo-C12-HSL與銅綠假單胞菌的毒力有關。而當復合物激活rhlR時，則會發(fā)生Las和Rhl群體感應系統(tǒng)的級聯(lián)效應，而且會在轉(zhuǎn)錄水平后期控制RhlR的活性。隨后，RhlR會激活一些生產(chǎn)各種次生代謝物（如氰化氫）相關基因的表達。同時，RhlI/R系統(tǒng)可反饋調(diào)控LasI/R系統(tǒng)的表達。此外，喹諾酮群體感應系統(tǒng)的信號分子PQS與Las、Rhl系統(tǒng)也存在一個級聯(lián)調(diào)節(jié)的關系。PQS的合成受到LasI的正調(diào)節(jié)和RhlI的負調(diào)節(jié)，同時PQS系統(tǒng)可以正調(diào)節(jié)RhlI、LasI的表達［30］。這3個系統(tǒng)互相調(diào)控，可以使細菌更好地適應環(huán)境，而且喹諾酮信號系統(tǒng)對細菌自身致病性和環(huán)境適應力具備更多一層的控制［31］。

1.3 孢子形成的群體感應系統(tǒng)：CSF群體感應系統(tǒng)

枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）是芽孢桿菌科的模式菌株，單個細胞呈桿狀，無莢膜，周生鞭毛，可產(chǎn)芽孢。由于其在自然界中廣泛存在，具有耐高溫、耐酸堿和耐擠壓等特性，目前該菌主要作為產(chǎn)酶菌用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生和食品保健等領域［32-33］。在枯草芽孢桿菌群體感應系統(tǒng)中主要涉及兩種信號分子：ComX信息素和感受態(tài)及產(chǎn)孢因子（competence and sporulation factor，CSF）。ComX編碼含有55個氨基酸殘基的Pre-ComX前導肽，Pre-ComX再經(jīng)異戊二烯轉(zhuǎn)化酶ComQ的處理和修飾后分泌到細胞膜外［34］。該信息素的活性由ComP/ComA雙組分調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制，當細菌種群密度達到閾值后，信息素會與膜上的相關受體ComP結(jié)合，激活該酶，促進其自我磷酸化；同時，磷酸化的ComP（ComP~P）會使磷酸化的ComA（ComA~P）被激活。ComA~P會直接激活相關下游基因的表達，例如激活srfA啟動子，誘導枯草芽孢桿菌的亞群分化進入感受態(tài)［35-36］。CSF由基因PhrC編碼，是一種物種特異性的群體感應分子，使不同菌株的枯草芽孢桿菌之間可以通過群體感應來交流。在寡肽通透酶（oligopeptide permease，Opp）的作用下，胞外CSF被轉(zhuǎn)運至細胞內(nèi)［37］。當胞內(nèi)濃度較低時，CSF可以促進感受態(tài)的發(fā)展，其與磷酸酶RapC結(jié)合并抑制其活性，使磷酸化ComA的水平上調(diào)，促進ComS的表達。伴隨著環(huán)境內(nèi)條件的惡化、營養(yǎng)物質(zhì)的消耗，胞內(nèi)CSF在達到一定閾值濃度后會促進細菌亞群分化進入孢子形成階段［38］。

1.4 產(chǎn)生毒力的群體感應系統(tǒng)：Agr群體感應系統(tǒng)

金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）是一種常見的人類致病菌，也是多種急慢性感染病的病原體，會分泌大量毒性因子例如毒素、溶血素和酚溶調(diào)控蛋白等。Ji等［39］研究發(fā)現(xiàn)，金黃色葡萄球菌致病基因的表達受細菌細胞密度影響。在Agr群體感應機制的調(diào)控下，自誘導肽作為信號分子分泌到胞外，通過響應一系列下游信號分子來驅(qū)動致病基因的表達。Agr群體感應系統(tǒng)的核心agr操縱子包括AIP的前體肽合成酶AgrD、負責編碼加工蛋白的AgrB、編碼組氨酸激酶感應器的AgrC和誘導轉(zhuǎn)錄的反應調(diào)節(jié)器AgrA。在這個群體感應系統(tǒng)中，AgrD在正常情況下會保持一個較低的表達量，在AgrB的加工下得到了信號分子AIP并不斷分泌到胞外。當胞外AIP濃度達到一定閾值后會激活AgrC，使其發(fā)生自磷酸化并將反應調(diào)控子AgrA磷酸化，磷酸化后的AgrA～P會結(jié)合到agrABCD上游的啟動子區(qū)域，形成正反饋，啟動agrABCD基因和其他受Agr調(diào)控系統(tǒng)控制基因的表達［40］，最終實現(xiàn)目的基因的表達調(diào)控。

2 參與種內(nèi)細胞間通訊動態(tài)調(diào)控的合成生物學群體感應基因線路

在微生物群體中，細菌會受到與其相鄰的同種或不同種細胞的相互作用以及外界環(huán)境的影響。它們之間長期共生共存，通過不斷進化形成了復雜的信號分子交流系統(tǒng)。細菌通過群體感應調(diào)節(jié)系統(tǒng)產(chǎn)生和感應化學信號分子，以物種復雜性和種群密度依賴的方式同步調(diào)控一組基因的表達，使得細菌群體之間進行相互作用和牽制，最終達到相互適應［41-42］。目前，對群體感應系統(tǒng)的研究已相對透徹，作用機理也逐漸清晰，其被廣泛應用于表征復雜的胞內(nèi)應答機制和構(gòu)建不同的群體感應基因線路，對于合成生物學發(fā)展具有深遠的影響。細菌的群體感應系統(tǒng)主要分為種內(nèi)細胞間通訊和種間細胞間通訊兩大類，目前對于群體感應種內(nèi)細胞間通訊的研究和綜述相對較多地集中在生物被膜形成、群體感應猝滅以及環(huán)境監(jiān)測等方面，而在構(gòu)建生物計算工具、調(diào)控種群密度和調(diào)節(jié)代謝流等方面相對較少。因此，下文將首先著重介紹合成生物學中撥動開關、生物傳感器和邏輯門近年來在群體感應種內(nèi)通訊方面的主要研究成果。

2.1 撥動開關

代謝工程領域的主要目的是利用多基因重組技術來提高目標產(chǎn)物的產(chǎn)量及生產(chǎn)效率。該領域傳統(tǒng)的改造方式主要是基因敲除和過表達，但基因敲除可能會導致菌體的生長狀況下降［43-44］。因此，需要適時激活和關閉特定基因的表達。撥動開關就是解決這一問題的有利工具，其是一大類代謝調(diào)控開關，可被應用到合成基因線路中來提高目標產(chǎn)物的產(chǎn)量［45］。本實驗室Gu等［46］通過抑制蛋白失活、阻斷競爭途徑和過表達關鍵酶，將野生型大腸桿菌BW25113的莽草酸酯產(chǎn)量提高到1.73 g/L。然后構(gòu)建了一個可調(diào)控aroK表達的撥動開關，發(fā)現(xiàn)重組菌株P-9中aroK的表達在生長階段會維持一個較高的水平，然后在適當?shù)臅r間內(nèi)可以通過添加最佳濃度的誘導劑降低表達水平。最終發(fā)現(xiàn)重組菌株P-9可以在不添加任何芳香化合物的情況下產(chǎn)生13.15 g/L莽草酸，證明營養(yǎng)缺陷型合成莽草酸鹽的大腸桿菌構(gòu)建成功。

現(xiàn)在，研究者們通過將撥動開關與群體感應系統(tǒng)相結(jié)合，嘗試構(gòu)建一系列新的基因線路來達到改造目的，實現(xiàn)細菌群體的種間通訊。有研究表明，群體感應通訊系統(tǒng)不僅會參與微生物致病基因的表達調(diào)控，也會直接影響微生物的耐藥性［47-48］。由于分泌抗癌蛋白的沙門菌對腫瘤具有抑制作用，但非特異性表達會對健康組織造成傷害。因此Swofford等［49］為了構(gòu)建對腫瘤敏感的基因表達開關，避免對健康組織造成傷害，他們將Lux群體感應系統(tǒng)和一個GFP熒光報告基因共同整合到非致病性沙門菌中。通過將QS系統(tǒng)和組成型的沙門菌共同注射到荷瘤小鼠體內(nèi)，對小鼠體內(nèi)蛋白水平的表達進行定量。同時利用免疫熒光技術對腫瘤內(nèi)的細菌和熒光蛋白GFP進行定量定位，發(fā)現(xiàn)新構(gòu)建的開關能作為一種很有用的癌癥治療工具，其可以很好地對腫瘤進行靶向治療，同時對健康組織無任何損害。

Soma等［50］在大腸桿菌中將lux啟動子和正反饋回路相結(jié)合，構(gòu)建了一個合成的Lux系統(tǒng)作為細胞密度可調(diào)傳感器。研究者利用該系統(tǒng)來觸發(fā)代謝撥動開關（metabolic toggle switch，MTS），通過將兩者整合構(gòu)建了QS-MTS。利用QS-MTS在理想的細胞密度下，實現(xiàn)了代謝流從TCA循環(huán)到異丙醇生產(chǎn)的重定向，從而顯著提高了異丙醇的產(chǎn)量。

能夠?qū)崿F(xiàn)自我調(diào)節(jié)和代謝流重新定向的工程菌株可以最大限度提高目標產(chǎn)物的產(chǎn)量，并降低對發(fā)酵過程的人為監(jiān)控需要。所以研究者投入大量心血去構(gòu)建一種獨立于通路、誘導和干預的基因裝置，Gupta等［51］設計了QS機制來調(diào)控pfk-1基因（該基因決定糖酵解和細胞生長的碳通量）的表達，從而可根據(jù)所需的時間和細胞密度來確定關閉基因表達的最佳點。當AHL不存在時，轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子EsaR170V將與PesaS結(jié)合。隨著細胞密度的不斷增加，AHL逐漸積累后會降低EsaR170V的活性，并關閉pfk-1基因的表達。因此，大多數(shù)葡萄糖將會轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)途徑以提高肌醇（myoinositol，MI）產(chǎn)量。

大多數(shù)情況下，研究者都是使用一種單一、常見的策略對代謝通量路徑進行動態(tài)調(diào)控。而Doong等［52］將通路無關策略和通路特異性策略相結(jié)合，構(gòu)建了涉及兩個動態(tài)正交可調(diào)策略的控制機制，這種機制可實現(xiàn)分層調(diào)控，獨立調(diào)節(jié)兩種不同酶的表達，從而提高D-葡萄糖醛酸的產(chǎn)量。在達到AHL濃度閾值后，基于QS系統(tǒng)的通路無關策略會將葡萄糖的利用從糖酵解轉(zhuǎn)化為D-葡萄糖醛酸的生產(chǎn)，從而將細胞從“生長”模式切換到“生產(chǎn)”模式；而通路特異性策略則是以肌醇作為中間代謝物傳感器來實現(xiàn)動態(tài)自主控制，從而提高D-葡萄糖醛酸的產(chǎn)量。

目前，大多數(shù)關于QS系統(tǒng)的報道都依賴于基因表達的下調(diào)而非上調(diào)，極大限制了其作為調(diào)控代謝通量分子開關的潛力。Cui等［53］構(gòu)建了基于兩個天然啟動子PabrB（Spo0A-P下調(diào)）和PspoiiA（Spo0A-P上調(diào)）的雙功能模塊化Phr60-Rap60-Spo0A QS系統(tǒng)。通過改變Spo0A-P結(jié)合位點的位置、數(shù)目和序列，構(gòu)建了一個具有上調(diào)和下調(diào)能力的啟動子庫。然后，將雙功能模塊化系統(tǒng)運用到枯草芽孢桿菌168中menaquinone-7（MK-7）的生產(chǎn)，通過該動態(tài)途徑調(diào)控后MK-7的產(chǎn)量顯著提高40倍。本實驗室Gu等［54］也構(gòu)建了基于Esa-QS系統(tǒng)的雙功能動態(tài)開關，能夠在不同的時間和間隔上同步基因的上調(diào)和下調(diào)。將該雙功能動態(tài)開關應用于5-氨基乙酰丙酸（5-aminolevulinic acid，5-ALA）和聚β-羥基丁酸（polyhydroxybutyrate，PHB）的合成后發(fā)現(xiàn)產(chǎn)量分別會提高6倍和12倍。

以上研究均將QS系統(tǒng)與代謝撥動開關相結(jié)合，在達到細胞密度閾值后激活合成線路，從而實現(xiàn)自誘導代謝狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。隨著這一機制在代謝工程中的應用不斷成熟，工程微生物群落和QS誘導的代謝開關相結(jié)合會繼續(xù)為合成生物學做出新的貢獻。

2.2 生物傳感器

隨著人們對構(gòu)建具有調(diào)控細胞功能的新型生物元件的興趣日益濃厚，人們開始對生物計算領域的創(chuàng)新工具進行不斷的探索。而生物傳感器因其易使用、成本低，在相關的生理環(huán)境條件下能提供實時數(shù)據(jù)的優(yōu)良性能受到了廣泛的關注［55］。例如，一種不需要蛋白轉(zhuǎn)錄因子參與而直接由核酸感受胞內(nèi)信號分子或胞外環(huán)境變化的調(diào)控模式，即核糖開關。其是適體結(jié)構(gòu)域和表達結(jié)構(gòu)域的組合，可以通過感應底物濃度高低實現(xiàn)對基因表達的動態(tài)調(diào)節(jié)［56］。但由于缺乏對配體和適體結(jié)合方式的正確認識以及合適的篩選方法，所以對天然核糖體的改造存在一定的困難。本實驗室Pang等［57］提出了N-乙酰神經(jīng)氨酸（NeuAc）核糖開關在體內(nèi)進化和篩選的策略。選擇了一個高閾值的核糖開關對一些途徑和關鍵酶進行優(yōu)化，再以葡萄糖為唯一碳源進行試驗后發(fā)現(xiàn)N-乙酰神經(jīng)氨酸的最高產(chǎn)量可達14.32 g/L。

之后，有很多研究發(fā)現(xiàn)生物傳感器與群體感應系統(tǒng)相結(jié)合后，可以作為一種新的微生物改造途徑來實現(xiàn)自誘導代謝狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。例如基因工程全細胞生物傳感器，它是利用細菌蛋白和通路檢測特定物質(zhì)的有力工具，已被廣泛應用于合成生物學研究中，包括對群體感應分子（quorum sensing molecules，QSMs）的檢測［58］。Raut等［59］構(gòu)建并優(yōu)化了基于哈維弧菌BB170菌株的AI-2全細胞傳感系統(tǒng)。當AI-2進入細胞后會與LuxP結(jié)合，LuxP在與AI-2結(jié)合時構(gòu)象會發(fā)生改變，進而啟動luxCDABE的轉(zhuǎn)錄，促進熒光素酶及其底物的表達，最終導致生物發(fā)光，依賴熒光素酶產(chǎn)生的光信號與細胞環(huán)境中的AI-2成正比。因此，該系統(tǒng)可應用于檢測炎癥性腸?。↖BD）患者唾液、糞便和腸道樣本中的AI-2水平，為炎癥性腸病早期的檢測和診斷提供高效、敏感度高、便利的方法?；谌后w感應機制的全細胞生物傳感器在醫(yī)學診斷與檢測方面發(fā)揮了很大的作用，在生物防治和生態(tài)環(huán)境保護方面也提供了有力的幫助。例如汞污染，汞廣泛應用于化學品制造工業(yè)或電子制造領域，但是它具有很強的生物毒性。因此，研制一種經(jīng)濟高效、操作簡便、對環(huán)境友好的重金屬汞生物檢測方法就顯得極為重要。Cai等［60］將基于群體感應的正反饋系統(tǒng)與汞特異性操縱子MerR相結(jié)合，構(gòu)建了一種含工程化Hg2+可調(diào)MerR蛋白的汞特異性全細胞生物傳感器。通過含MerR蛋白的汞特異性操縱子來控制LuxⅠ的表達，形成的LuxR-AHL復合物會依次激活Prlux并表達RFP。同時設計了QS1、QS2和QS3三種策略來驗證生物傳感器的實際輸出信號的放大效應，發(fā)現(xiàn)含有正反饋體系的全細胞探針對汞離子有很高的靈敏性。而且，把熒光信號擬合到經(jīng)典的Hill方程，發(fā)現(xiàn)構(gòu)建的探針對汞離子的響應接近于超靈敏曲線。除此之外，Thapa等［61］利用生物發(fā)光的原理研制了一種光生物傳感器來檢測環(huán)境中污染物的存在，將光纖技術和光電二極管結(jié)合來檢測發(fā)光并將光信號轉(zhuǎn)換為可測的電信號。該裝置可通過基于群體感應機制的Lux操縱子來調(diào)控發(fā)光過程，從而對檢測重金屬具備一定的特異性。當環(huán)境中有重金屬存在時細菌的發(fā)光現(xiàn)象會有所減弱，但當監(jiān)測到鋇元素時卻發(fā)現(xiàn)發(fā)光現(xiàn)象既存在上升也存在下降，也就是說構(gòu)建的光生物傳感器可以很好地對環(huán)境中的污染物進行定性、定量的檢測。

在合成生物學領域，許多的生物工程系統(tǒng)和生物元件被用于設計實用性強、操作方便的臨床檢測工具。但是，只有少數(shù)研究證明了這些檢測工具在臨床上的基礎功能性［62-63］，并未考慮到臨床測試樣品的復雜性以及如何達到臨床檢測工具的最優(yōu)化。因此，研究人員開始使用無細胞蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)作為生物傳感器來進行病原診斷和治療［64］。Wen等［65］構(gòu)建了一種在無細胞蛋白表達系統(tǒng)中的模塊化DNA編碼傳感器，其可用于檢測囊性纖維化疾病患者痰標本中銅綠假單胞菌感染的標志物。在優(yōu)化無細胞系統(tǒng)后進行試驗發(fā)現(xiàn)該生物傳感系統(tǒng)可以在納摩爾水平上定量檢測痰樣品中的群體感應信號分子3-oxo-C12-HSL，有助于提高臨床診斷速度。

2.3 邏輯門

近年來，隨著合成生物學的迅猛發(fā)展，在微生物中構(gòu)建了具有復雜基因線路的多種邏輯門調(diào)控系統(tǒng)，以期實現(xiàn)在空間、時間和種群尺度上的精確調(diào)控。正反饋線路和負反饋線路在物理系統(tǒng)和生物系統(tǒng)中普遍存在［66］，這兩類系統(tǒng)之間的相似性以及復雜性吸引了很多的研究人員來開發(fā)生物分子計算系統(tǒng)，除了研究撥動開關和生物傳感器，他們在邏輯門和其他生物控制線路相結(jié)合的方面也取得了豐碩的研究成果［67］。邏輯門又稱“數(shù)字邏輯電路基本單元”，執(zhí)行“或”“與”“非”“或非”“與非”等邏輯運算的電路。早在2002年，就有研究者構(gòu)建了一種通過外源添加信號分子啟動線路響應的與門系統(tǒng)［68］。在該邏輯門中，以外源添加IPTG和ATC作為誘導劑輸入，同時響應后以激活GFP的表達作為輸出。由于大多數(shù)基因線路的報告基因僅是熒光蛋白，基本都用來做信號檢測。所以，之后有更多的研究者致力于在微生物中將Lux、Las和Rhl等群體感應系統(tǒng)與基因線路相結(jié)合，構(gòu)建基于QS系統(tǒng)的各種邏輯門，以期在群體水平上更好地協(xié)調(diào)細胞行為，進而促進在生物醫(yī)學和環(huán)境防治等諸多方面的應用。Hu等［69］在奧奈達希瓦菌（Shewanella oneidensisMR-1）mtrA基因敲除突變株中構(gòu)建了一個基于Lux群體感應模塊的與門系統(tǒng)，實現(xiàn)了邏輯門在微生物燃料電池（MFCs）中的應用。他們首先將IPTG應答模塊、QS模塊和輸出模塊（報告基因或靶基因mtrA）整合在一起，形成與門系統(tǒng)來控制細菌胞外電子轉(zhuǎn)移。當Lux-AHL的濃度達到閾值后會與LuxR結(jié)合，促進Lux啟動子的激活。與此同時，伴隨著IPTG的加入，會解除Lacl蛋白對tac啟動子的抑制。當這個與門系統(tǒng)的兩個輸入信號同時響應時，胞外電子便開始轉(zhuǎn)移。

在利用群體感應系統(tǒng)設計與門動態(tài)調(diào)控線路中，已廣泛存在多個操縱子調(diào)控單個啟動子的行為。但是當細胞同時識別兩個外源信號時，也有可能會啟動系統(tǒng)中基因的表達。因此，可以結(jié)合內(nèi)部信號和外部信號調(diào)控來同時驅(qū)動基因表達，其中當外源添加誘導劑時，細胞只有處于特定生理狀態(tài)下才會啟動基因表達。Shong等［67］已經(jīng)構(gòu)建并表征了兩個合成的與門啟動子，它們需要群體感應信號和一個外源添加的誘導劑才能啟動基因的表達。LEE和TTE的基因表達都需要兩種信號分子，只有一方存在時都無法觀察到基因高于本底水平的表達。研究者通過添加AHL內(nèi)源性產(chǎn)物來評估啟動子以依賴QS方式發(fā)揮作用的能力，并觀察到只有外源性IPTG或者ATC存在的情況下，基因表達才會隨著細胞密度的增加而增加。因此，研究者所構(gòu)建的與門調(diào)控系統(tǒng)可作為一個新調(diào)控系統(tǒng)的模型，將QS系統(tǒng)和其他基因線路相整合，以實現(xiàn)代謝工程應用中基因表達的動態(tài)變化。

現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)QS系統(tǒng)在代謝工程中具有廣泛應用，可以動態(tài)調(diào)控目標生產(chǎn)基因的表達。由于細胞的生理狀態(tài)會影響代謝調(diào)控，因此本實驗室He等［70］設計了一個自誘導的與門調(diào)控系統(tǒng)，其可通過同時感應細胞濃度和細胞的生理狀態(tài)對該系統(tǒng)進行響應。首先進行LuxR的隨機突變及l(fā)uxRI啟動子的優(yōu)化，獲得了一系列可感應不同細胞濃度的可變QS系統(tǒng)，同時通過檢測細胞生長過程中的熒光強度，選擇對應的穩(wěn)定期感應系統(tǒng)。最終將新構(gòu)建的系統(tǒng)應用于PHB生產(chǎn)中，發(fā)現(xiàn)PHB產(chǎn)量可提高1～2倍。研究者構(gòu)建的合成邏輯門能夠成為代謝工程的一種工具，作為一種通用的動態(tài)感應系統(tǒng)，無需特定的感應因子即可感應復雜的信號。

在合成生物學中每個生物元件都被當作一個樂高單元，通過改造、組合得到執(zhí)行不同功能的合成基因網(wǎng)絡。在過去的10年中，基于合成生物學背景設計的撥動開關、生物傳感器以及邏輯門通過與一些生物控制線路相結(jié)合，在食品醫(yī)藥和環(huán)境改制方面取得了較大的成果，為防控人類微生物病害、克服微生物耐藥性問題提供了有益的借鑒，促進微生物學與遺傳學、植物保護學等其他學科的交叉滲透和共同發(fā)展。

3 參與種間細胞間通訊動態(tài)調(diào)控的合成生物學群體感應基因線路

在合成生物學和微生物學快速發(fā)展、交匯融合下，基于群體感應模塊設計的基因合成線路已迅速發(fā)展為近年微生物學領域的研究熱點。細菌的種內(nèi)群體感應系統(tǒng)的特異性可以保證細菌在一個復雜的環(huán)境中識別自己，準確地實現(xiàn)信息交流。但由于細菌在自然界中并不是獨立存在的，它們之間相互影響，既存在共生關系，也存在競爭關系。所以為了更好地適應復雜多變的環(huán)境，細菌可以通過種間交流的方式來啟動特定基因的表達，從而控制整個群落的狀態(tài)，提高整個群體的生存能力［71］。所以，下文將詳細綜述群體感應系統(tǒng)在種間細胞間通訊的應用前景。

3.1 控制種群密度

代謝工程旨在根據(jù)已有的細胞代謝網(wǎng)絡進行設計，通過重組來再次分配所需途徑的代謝通量，進而實現(xiàn)高價值藥物、營養(yǎng)品和工業(yè)化學品的高產(chǎn)［72］。在利用底物生產(chǎn)理想目標產(chǎn)物的過程中，只依靠天然代謝途徑無法達到產(chǎn)率最大化。所以為了重構(gòu)碳代謝途徑，提高產(chǎn)率，本實驗室Wang等［73］通過將糖酵解途徑、戊糖磷酸途徑和“雙歧分流”相結(jié)合，在大腸桿菌中構(gòu)建了一個EPbifido途徑。將該途徑應用到PHB、甲羥戊酸和脂肪酸的生產(chǎn)中，發(fā)現(xiàn)可以很好地降低二氧化碳排放并提高產(chǎn)物的摩爾轉(zhuǎn)化率。但An等［74］和Goo等［75］證明微生物生長環(huán)境中的營養(yǎng)物通常有限，而且相對擁擠的環(huán)境不利于微生物的生長和代謝。因此，調(diào)控種群密度對于提高代謝物的產(chǎn)量具有重要意義。Patidar等［76］以扁藻和百慕大公海橄欖菌為研究對象，采用兩階段培養(yǎng)模式進行共培養(yǎng)，評估不同脅迫條件下生物燃料的生產(chǎn)情況?；诠才囵B(yǎng)模式，百慕大公海橄欖菌及其代謝物可以與扁藻相互促進生長，從而提高脂質(zhì)產(chǎn)量。HHQ和PQS通過增加百慕大公海橄欖菌的細胞豐度，在生物表面形成生物膜，介導了互惠互利的共生作用。然而，當HHQ和PQS濃度較高時，可以抑制扁藻的生長。

腸道微生物群在建立和維持宿主健康方面具有關鍵作用。Kim等［77］利用群體感應機制在天然大腸桿菌和減毒鼠傷寒沙門菌之間重新構(gòu)建了一個信息傳遞系統(tǒng)。研究者將一個物種功能化使其產(chǎn)生可誘導的信號，而另一個物種則可以利用基因集成線路進行信號的檢測和記錄。這個新構(gòu)建的信號傳輸系統(tǒng)成功實現(xiàn)了小鼠腸道內(nèi)微生物的種內(nèi)和種間信號傳遞，為進一步了解其他環(huán)境中細菌間的相互作用提供了一定的基礎。

1.1.3 儀器:日立7020型全自動生化分析儀;Beckman-Coulter MAXM血球分析儀;電子稱(常熟市雙杰測試儀器廠產(chǎn)品);萬分之一電子天平(梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司產(chǎn)品);Thermo BIOFUGE PRIMO R型離心機。

Brexó等［78］發(fā)現(xiàn)在利用甘蔗生產(chǎn)生物乙醇的過程中，不可避免地會產(chǎn)生乳酸菌（LAB）和野生酵母。而且，乳酸菌和酵母在發(fā)酵罐中共存時產(chǎn)生有機酸和其他細胞外代謝物，導致乙醇產(chǎn)量減少。在發(fā)酵過程中細胞間的相互作用會促進細菌和酵母之間的交流，它們很有可能通過群體感應共存。因此，進一步了解基于群體感應進行共存的機制，可產(chǎn)生一系列相關的理論和技術支持，進而為生物燃料行業(yè)做出一定貢獻。

現(xiàn)在，很多微生物生態(tài)學家嘗試構(gòu)建一些小型的合成生態(tài)系統(tǒng)來探索種群之間調(diào)控機制的復雜性。Scott等［79］將兩個正交的QS機制和種群控制機制相結(jié)合，來控制競爭性的鼠傷寒沙門菌的種群密度。Lux-QS和Rpa-QS可以與兩個裂解基因結(jié)合，在兩株細菌中形成SLCs來進行調(diào)控。研究結(jié)果表明，當Lux-QS和Rpa-QS與裂解基因結(jié)合后進行共培養(yǎng)時，它們之間的初始種群比為100：1，在10 h后種群比就可以達到1：1。但當沒有裂解基因存在時，對兩株菌進行共培養(yǎng)后將會被Lux-QS菌株接管。即整合兩個正交的QS機制以形成正交分解系統(tǒng)對于穩(wěn)定競爭菌株的共培養(yǎng)具有很大優(yōu)勢。

3.2 振蕩子

在大規(guī)?；蛘{(diào)控網(wǎng)絡中，只使用少量的調(diào)控因子就可以調(diào)控相對較多的基因，進而協(xié)調(diào)復雜的細胞行為。很多的代謝活動，例如種群控制、激素分泌、晝夜節(jié)律等都與同步振蕩密切相關［80-82］。所以有很多研究者對于構(gòu)建振蕩子模型產(chǎn)生了極大興趣，構(gòu)建合成基因振蕩器（SGOs）也就成為合成調(diào)控研究的主要方向之一。McMillen等［83］在大腸桿菌中將由PRE啟動子、基因X（cii）和基因Y（ftsh）組成的弛豫振蕩器與Lux-QS機制相結(jié)合，利用細胞間信號傳導機制來耦合振蕩器并誘導同步振蕩。蛋白Ftsh可以降解cii，而AHL與LuxR的復合物則可以激活cii的轉(zhuǎn)錄。當胞內(nèi)AHL濃度達到閾值時，它可以與其他細胞中的另一個LuxR結(jié)合，調(diào)節(jié)其cii水平。通過對系統(tǒng)進行建模，也證明了新構(gòu)建的機制的確會實現(xiàn)跨細胞群的同步行為。

雖然振蕩子在合成生物學方面的應用已經(jīng)取得了較大的進展，但是在一個復雜的環(huán)境中尋求構(gòu)建一個穩(wěn)定的基因線路還是相對較難的。這種復雜的環(huán)境會導致基因線路中相當大的細胞間差異，有可能會阻礙菌落水平上的功能。Prindle［84］等通過將遺傳弛豫振蕩器、群體間的氣相氧化還原信號和Lux-QS系統(tǒng)整合在一起，在不同的菌落間形成耦合的遺傳“生物混合體”。當不含亞砷酸鹽時，ArsR會抑制LuxR的表達，從而無熒光和振蕩的產(chǎn)生。但是當亞砷酸鹽含量足夠時，這種抑制作用會被解除，LuxR-AHL復合物將會促進熒光基因的表達和振蕩產(chǎn)生，最終實現(xiàn)數(shù)千個振蕩的群體在厘米尺度上的同步。

合成生物學基于振蕩子的應用除了之前存在的問題，還面臨一個挑戰(zhàn)是要創(chuàng)造出基于種群水平行為的微生物協(xié)同系統(tǒng)，可利用細胞信號傳導機制來調(diào)節(jié)多種細胞類型的基因表達。Chen等［85］構(gòu)建了一個由兩種不同細胞類型組成的微生物聯(lián)合體，其中一種是“激活”菌株，另一種是“抑制”菌株。這些菌株會產(chǎn)生兩個正交的細胞信號分子，在雙菌株合成線路中調(diào)節(jié)基因的表達。激活因子產(chǎn)生Rhl-AHL，促進兩株菌株的靶基因轉(zhuǎn)錄，而抑制因子會產(chǎn)生Cin-AHL，抑制由LacI蛋白介導的兩菌株的轉(zhuǎn)錄。除此之外，還存在一個負反饋回路，其中AiiA蛋白可以降解這兩個AHL。這兩個菌株只有共培養(yǎng)時才會產(chǎn)生群體水平的振蕩。通過利用多合作菌株的基因工程來調(diào)控種群水平動態(tài)的能力，為構(gòu)建具有多種細胞類型的復雜合成組織和器官指明了方向。

利用細胞信號傳導機制來調(diào)節(jié)多種細胞類型的基因表達已經(jīng)取得了成功，但如果要在土壤或腸道微生物群等復雜環(huán)境中使用合成多細胞系統(tǒng)，或者說與材料學相結(jié)合，那么通過細胞間信號進行跨時間和空間的基因協(xié)調(diào)表達將會非常重要。Kim等［86］構(gòu)建了一個雙菌株合成菌群，這兩個菌株會產(chǎn)生兩個正交的群體感應分子，從而形成一個可以連接正反饋和負反饋的調(diào)控網(wǎng)絡。當在微流控裝置中進行共培養(yǎng)時，這兩個菌株會產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。在大群體中，發(fā)現(xiàn)整個群體暫時的協(xié)調(diào)振蕩是依賴于一個內(nèi)在的正反饋線路的存在，該線路會放大和傳遞細胞間信號。即新構(gòu)建的多細胞系統(tǒng)可以通過利用組成細胞間的短暫、短距離的耦合來實現(xiàn)基因的協(xié)調(diào)表達。

3.3 混合菌種的共培養(yǎng)

合成生物學和代謝工程元件的不斷更新與改進為構(gòu)建更加復雜、高效的微生物合成系統(tǒng)提供了有利的基礎，但有可能會受到單個細胞中可用資源和環(huán)境的限制。為了解決這個問題，研究人員提出了一個策略，即共培養(yǎng)發(fā)酵，通過對亞群之間的物質(zhì)進行協(xié)調(diào)分配來克服這些限制［87］。

Dinh等［88］構(gòu)建了一種基于群體感應的生長調(diào)節(jié)線路，該線路提供了一種額外的參數(shù)用于調(diào)節(jié)發(fā)酵過程中共培養(yǎng)物的組成。該線路通過降低糖酵解通量和增加細胞密度來下調(diào)生長速率，細胞密度與生長速率下調(diào)的關系可以通過改變AHL合成酶的表達水平進行調(diào)節(jié)，從而在相同的接種比例下獲得不同的共培養(yǎng)動態(tài)。將該線路應用于柚皮苷的共培養(yǎng)生產(chǎn)過程中，通過改變菌株的接種比例就可使滴度增加60%。此外，還證明了將生長控制線路與通訊模塊相結(jié)合后，其中一個亞種群的細胞密度可調(diào)控另一個模塊的轉(zhuǎn)錄，進而協(xié)調(diào)細胞間的行為，提高柚皮苷滴度。

許多變形桿菌可以利用群體感應來調(diào)控公共產(chǎn)品例如抗菌劑和蛋白酶的生產(chǎn)，這些公共產(chǎn)品可以在一個微生物群落中實現(xiàn)共享。Evans等［89］構(gòu)建了一個實驗室模型去研究群體調(diào)控抗菌劑在種間競爭中的重要性。在該模型中，伯克霍爾德菌和紫花色桿菌均使用了QS機制調(diào)控的抗菌劑來抑制其他物種的生產(chǎn)。研究者證明了在共培養(yǎng)模型中，波林菌素抑制了群體感應缺陷突變體的出現(xiàn)，而抗菌劑生產(chǎn)合作者的增加使得紫花色桿菌種群變得更具競爭力，即物種間的競爭可以通過限制有群體感應缺陷的突變體來加強合作行為。除此之外，由于銅綠假單胞菌QS系統(tǒng)參與調(diào)控多種公共產(chǎn)品的生產(chǎn)，可以很好地作為研究微生物合作的模型。Smalley等［90］對銅綠假單胞菌和多食雙歧桿菌在實驗室中進行共培養(yǎng)，并研究了3種銅綠假單胞菌QS系統(tǒng)調(diào)控的抗菌劑氰化氫、鼠李糖酯和吩嗪在生物競爭中的重要性。通過研究發(fā)現(xiàn)，銅綠假單胞菌和多食雙歧桿菌共培養(yǎng)時，銅綠假單胞菌會占優(yōu)勢，這3種抗菌劑會共同促進銅綠假單胞菌的競爭力。這兩種細菌都需要銅綠假單胞菌群體調(diào)節(jié)蛋白酶來促進生長，因此QS調(diào)控的抗菌劑對于銅綠假單胞菌很重要，可以防止雙歧桿菌對公共產(chǎn)品蛋白酶的利用。

通過對QS機制在控制種群密度、構(gòu)建振蕩子模型以及混合菌種共培養(yǎng)這3個方面進行歸納總結(jié)，對細菌群體感應通訊系統(tǒng)有了更進一步的認識。有助于今后創(chuàng)建微生物群體感應通訊系統(tǒng)調(diào)控的新理論和新方法，通過人為地干擾或促進微生物群體感應系統(tǒng)從而調(diào)控某種功能。

4 結(jié)語與展望

細菌群體感應系統(tǒng)是近20年微生物學研究領域的重大發(fā)現(xiàn)之一，目前對其已有相對全面的認識和研究。細菌廣泛存在于各個群落中，其可利用一些包括復雜的信號分子、信號傳感器以及信號轉(zhuǎn)導機制的細胞間通訊系統(tǒng)來快速適應不斷變化的環(huán)境。本文詳細綜述了調(diào)控生物發(fā)光、生物被膜形成、孢子形成和產(chǎn)生毒力的群體感應系統(tǒng)，極大增進了對各類細菌中不同群體感應系統(tǒng)的了解，幫助深入研究各個調(diào)控網(wǎng)絡之間的互作關系。自然界中的微生物群體感應系統(tǒng)非常復雜且多樣化，還有很多的信號分子尚未鑒定，信號通路及調(diào)控機理也未明晰。因此，在小分子分離鑒定和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析技術逐漸成熟的時代，應該投入更多的精力去研究和發(fā)展多樣化、高效化的群體感應系統(tǒng)，幫助揭示細菌之間互作競爭的作用機制，使其獲得競爭優(yōu)勢，從而極大增強了細菌在環(huán)境中的生存概率。QS系統(tǒng)對細菌種群的社會行為產(chǎn)生了很大的影響，使之可以更好地適應不斷變化的環(huán)境。這些研究極大增進了人們對群體感應系統(tǒng)在細菌種內(nèi)及種間細胞間通訊應用的了解，也進一步說明了研究微生物群體感應系統(tǒng)的重要性和復雜性。目前很多的研究都集中在生物被膜形成、環(huán)境檢測和疾病防治等方面，對于生物計算工具的構(gòu)建和調(diào)節(jié)種群密度方面的研究相對少一些。因此本文詳細闡釋了近年來細菌在種內(nèi)和種間基于群體感應機制的動態(tài)調(diào)控應用，集中討論了群體感應系統(tǒng)與各類基礎調(diào)控線路相結(jié)合的生物計算工具的構(gòu)建，以及以群體感應為基礎的基因元件在控制種群密度、調(diào)節(jié)代謝流方面的改進，努力簡化發(fā)酵過程，降低成本，實現(xiàn)精準調(diào)控并積極地向產(chǎn)業(yè)化方向靠攏。

積極開展基于群體感應的合成生物學改造技術對于明晰微生物之間的信息交流以及病原菌與寄主之間的通訊系統(tǒng)具有重大的科學意義和應用價值：首先對于細菌的基礎群體感應系統(tǒng)原理和機制的了解，以及對細菌的群體感應通訊系統(tǒng)和病原-宿主跨界通訊系統(tǒng)的研究會幫助研究者建立一個相對完善的微生物群體感應研究體系。不但可以提供一些基礎、科學的理論指導，還有利于研究者開拓基于群體感應研究的新思路和新方法。其次，基于群體感應的微生物通訊系統(tǒng)會參與調(diào)控細菌的多種生活習性以及各種生理過程，QS系統(tǒng)很好地承擔著病原菌之間以及病原菌和宿主之間溝通的角色，使其成為防治生物疾病和治療動植物病害的新突破口，也為發(fā)展新型綠色安全農(nóng)業(yè)和健全醫(yī)藥服務提供了有益的借鑒。除此之外，群體感應基因線路已被廣泛應用于工農(nóng)醫(yī)科等領域，在各個領域通過合成生物學手段構(gòu)建新型的基因元件及合成線路，實現(xiàn)了代謝流重組和產(chǎn)量提高，同時還促進了微生物學、遺傳學和植物學等各個學科的交叉融合和共同發(fā)展。但是目前仍有一些研究存在不足或尚未明晰之處，例如基于群體感應的動態(tài)調(diào)控存在一定的泄露，無法對靶基因的表達實現(xiàn)嚴謹調(diào)控；不同調(diào)控系統(tǒng)之間的正交性、有關種間細胞通訊的代謝流調(diào)控、脈沖發(fā)生器等方面的應用也需要進一步研究。今后，相信基于群體感應系統(tǒng)來優(yōu)化動態(tài)線路的策略會在生物化工等領域有更大的發(fā)展空間。