微生物用来通信的群体感应，却是抗生素耐药性、蓝藻水华的帮凶？

出品：科普中国

作者：花茶（青岛农业大学）

监制：中国科普博览

编者按：为解码生命科学最新奥秘，科普中国前沿科技项目推出“生命新知”系列文章，从独特的视角，解读生命现象，揭示生物奥秘。让我们深入生命世界，探索无限可能。

在浩瀚的自然界中，微生物如同繁星般点缀着每一个角落，它们虽微小，却拥有着令人惊叹的智慧和强大的适应力，它们演化出了只有微生物自己才能“听见”的交流——“群体感应”（Quorum Sensing, QS）。科学家们深入研究此机制，揭示了微生物的大智慧，也因此斩获了2016年诺贝尔生理学或医学奖。现在，就让我们一起走进这场微生物间的无声“对话”，探索群体感应的奥秘。

微生物群体感应如同微生物间的问候交流

（图片来源：veer图库）

无声的“对话”

在一个繁忙的城市里，人们通过手机、广播或是面对面的交流来传递信息，协调行动。而在微观世界里，细菌们并不是孤独的游侠，它们也有自己的“交流方式”，那就是群体感应。

群体感应是微生物通过感知周围环境中同类微生物的数量来调整自身行为的通信机制，当微生物密度达到一定阈值时，它们会启动一系列基因表达的变化。这种基于细胞密度的通讯机制，让细菌能够感知同伴的存在并协调它们的行为，影响其生长、代谢、毒力等因素。

想象一下，这就像是细菌们在开一个大型派对，只有当人数达到一定数量时，派对才会开始。这如同是微生物之间的一场无声的“对话”，虽然没有声音，却充满了智慧和策略。这种交流对它们更好地适应环境、提高生存能力至关重要，在很多场景和状态下都有着重要意义。

群体感应有助于生物被膜的形成，生物被膜是一种微生物在恶劣环境下的重要生存策略，也可以看作微生物的“铠甲”，它由大量细菌和胞外产物构成，形成三维结构的群居状态。通过群体感应，微生物可以相互协作，共同构建这个复杂的结构，增强对环境和抗生素的抵抗力。

微生物生物被膜的形成

（图片来源：veer图库）

**群体感应也可以调节病原微生物毒力因子的产生。**对于病原微生物来说，毒力因子是它们感染宿主并引发疾病的关键武器。而群体感应则像是这些微生物的“军火库管理员”，负责调控这些毒力因子的产量。当微生物密度增加时，群体感应会促使它们产生更多的毒素、酶和其他有害化合物，加剧感染，类似于在战场上增强兵力和火力，使局势更有利于微生物。

水平基因转移是微生物快速适应环境变化的重要手段之一。在菌群内部，通过群体感应，微生物可以更加高效地进行基因交换和重组，从而获得新的遗传特性，就像是参加“基因狂欢派对”，互相学习，增强自身。

群体感应还有助于维持微生物种群的稳定性，如同微生物世界的“人口普查员”，通过监测种群数量变化，发出信号调整微生物数量，确保一切都在可控范围内。

微生物的幸事，人类的难事

虽然群体感应对于微生物来说是一种重要的生存策略，但它也给我们人类带来了不少麻烦：

最棘手的就是抗药性问题，随着抗生素的广泛使用，越来越多的病原微生物产生了耐药性，而群体感应则可能加剧这一现象，使微生物通过一系列基因表达变化增强耐药性，这是一场微生物与人类之间的“军备竞赛”，你追我赶，永无止境。

此外，群体感应还能提升病原体的毒力因子产量，从而加剧感染。比如最常见的一种致病菌铜绿假单胞菌，在高密度下会产生更多的毒素，像是微生物在战场上突然获得了“秘密武器”，让战斗变得更加激烈和残酷，最终结果就是导致了更为严重的肺部感染。

从生态角度来看，群体感应还可能导致微生物在水体和土壤中的异常增殖，引发环境污染问题。像蓝藻水华就是由于群体感应导致的藻类过度生长所致。这不仅影响了水质和生态平衡，还给人类健康带来了潜在威胁。

以彼之道，还之彼身

科学家们正积极研究控制群体感应的方法，以保障人类健康和环境安全，他们借鉴感染病的阻断方案，应对群体感应系统的调控。

既然信号分子是群体感应的关键媒介，那么，通过抑制信号分子的产生，就可以阻止群体感应的发生。科学家们筛选或者合成特定的酶以及化学药物，从分子水平来抑制信号分子的表达。

除此之外，我们还可以通过干扰信号传递来阻止微生物通信。想象一下，如果我们能找到一种“信号干扰器”，让微生物之间的通信变得混乱不堪，那么它们就很难再形成有效的攻击力量了。科学家尝试使用抗体或者小分子化合物来阻断信号受体的接受功能，相当于在微生物的通信线路上设置了一道道“路障”，让它们的信息传递变得困难重重。

科学家寻找候选药物时，借鉴了自然界中的天然产物，本身就具有抑制群体感应的作用，这些物质如大蒜素和茶多酚，能抑制群体感应相关酶的活性。另外，随着基因编辑技术的发展，我们现在可以通过敲除或突变与群体感应相关的基因来降低微生物的群体感应能力。这种方法已经在实验室中取得了一定的成功，未来有望通过基因编辑技术创造出一种既有益又安全的新型微生物品种。

抗菌的天然活性物质

（图片来源：veer图库）

合理利用，和谐共存

群体感应作为微生物之间的一种重要通信机制，对微生物的生长、代谢和毒力等方面具有重要影响。但它也可能引发抗药性、致病性增强和环境污染等问题。因此，研究和开发有效的控制策略对于保障人类健康和环境安全具有重要意义。

随着科学界对群体感应的深入了解，群体感应系统也成了解决病原微生物的新的防控靶点。特别是大家意识到，单纯的杀菌可能会造成超级细菌的出现，而真正需要解决的是菌的致病性。因此，开发针对群体感应机制的新型抑制剂正成为研发焦点，这些抑制剂可以直接作用于信号分子或者信号传递途径，从而抑制群体感应的发生。

与传统抗生素不同，新型抗菌剂不会对微生物产生直接的杀伤作用，而是通过干扰微生物之间的通信机制来削弱其致病能力，类似于“心理战”的战术，让敌人在不知不觉中失去斗志，而且还不会造成敌人的激烈反抗，以此实现人类和微生物的和谐共处。