微生物群體感應系統(tǒng)及其在現(xiàn)代食品工業(yè)中應用的研究進展

勵建榮， 李婷婷， 王當豐

(1.渤海大學 食品科學與工程學院/生鮮農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工及安全控制技術國家地方聯(lián)合工程研究中心， 遼寧 錦州 121013；.大連工業(yè)大學 海洋食品精深加工關鍵技術省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，遼寧 大連 116034；3.大連民族大學 生命科學學院， 遼寧 大連 116600； 4.江南大學 食品學院， 江蘇 無錫 214122)

自然界中微生物無處不在，它們之間利用信號分子進行化學交流，用于調(diào)節(jié)群體行為[1]。群體感應(quorum sensing，QS)作為一種細菌間的通訊機制，于1994年首次被Fuqua等[2]提出并定義。群體感應具有評估群體中細菌數(shù)量和密度的能力，允許僅在達到臨界閾值濃度時才能引起特定基因表達，進而啟動細菌特定的群體行為，促進細菌個體間相互交流以更好地適應生長環(huán)境。目前，已有多種微生物的行為特征被證實受群體感應現(xiàn)象的調(diào)控：如生物發(fā)光、生物被膜形成、毒力因子產(chǎn)生、抗生素合成、質(zhì)粒的結合轉(zhuǎn)移以及細菌遷移運動[3-5]等。為調(diào)節(jié)細胞間的相互作用，細菌進化出一些基于信號分子的化學語言，即在繁殖過程中分泌一些特定的小分子- 自誘導物(autoinducer，AI)，在作為單細胞及生物膜生長時發(fā)揮特定作用[6]。

正由于微生物存在這種獨特的調(diào)控機制，使其成為人為調(diào)控微生物行為的潛在靶點，從而使其在食品保鮮，生物發(fā)酵等領域極具應用潛力。因此，本文著重對食品微生物中所涉及的常見的群體感應類型及機制進行概述，并簡述群體感應系統(tǒng)在食品腐敗以及生物合成等領域的研究進展。

1 群體感應的類型

微生物之間的生態(tài)學關系非常復雜。QS系統(tǒng)使細菌能夠識別混合種群中特定物種成員，還可使細菌感知自身與其他物種的比例，即存在自體/種內(nèi)群體感應及種間群體感應[7]。不同種類細菌通訊的化學信號分子不同，根據(jù)細菌所分泌信號分子的不同大致可分為：寡肽類(autoinducing peptides，AIPs)，G+為主；?；呓z氨酸內(nèi)酯類(acyl-homoserine lactone，AHL)，G-為主；AI- 2類，G+、G-均可；其他類信號分子，如二酮哌嗪類(Diketopiperazines,DKPs)、喹諾酮類(PQS)及AI- 3等[8]。不同信號分子的功能、系統(tǒng)組成包括不同QS系統(tǒng)之間的關系都相對復雜，對QS系統(tǒng)更深層次的研究在實現(xiàn)微生物資源的高效利用和病原微生物的有效防控方面具有很大潛力。近年來，有關食品腐敗菌QS現(xiàn)象的研究熱潮愈發(fā)強烈。微生物與食品的腐敗過程密切相關，這對于現(xiàn)代食品工業(yè)的發(fā)展也具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1.1 革蘭氏陰性菌的群體感應系統(tǒng)

在革蘭氏陰性菌群體感應系統(tǒng)中，常見的信號分子為N-?；? 高絲氨酸內(nèi)酯(N-acyl-homoserine lactones, AHLs)，也被稱為AI- 1型信號分子。AHLs以N-?；? 高絲氨酸內(nèi)酯環(huán)為核心，通常含有4～18個碳的?；鶄孺?。高絲氨酸內(nèi)酯環(huán)部分來源于S-腺苷甲硫氨酸(S-adenosylmethionine, SAM)，?；鶄孺湶糠謥碓从邗；d體蛋白(acyl carrier protein, ACP)或?；o酶A[9]。不同菌種分泌的AHLs有所不同，但它們均具有一個高度保守的高絲氨酸內(nèi)酯環(huán)，其區(qū)別在于?；鶄孺溕峡赡苄纬呻p鍵或第三碳位上容易被羥基或氧取代，這些可變性決定了AHLs的特異性[10]。研究表明，AHLs可以自由地穿過細胞膜，但由于側鏈長度不同其進出細胞的方式有所不同，當碳原子數(shù)小于8時，AHLs可以自由擴散出入細胞；而碳原子數(shù)達到10以上時，則需要轉(zhuǎn)運載體的幫助進行快速轉(zhuǎn)移，因此短側鏈不飽和的AHLs比長鏈更容易擴散[11]。

LuxI/LuxR系統(tǒng)是革蘭氏陰性菌中典型的QS調(diào)控系統(tǒng)，最早發(fā)現(xiàn)于海洋費氏弧菌的生物發(fā)光現(xiàn)象中，是目前研究最為深入和廣泛的一類QS系統(tǒng)。圖1為革蘭氏陰性菌QS系統(tǒng)的模型，LuxI及LuxR蛋白主要參與調(diào)控過程。LuxI蛋白是自誘導物合成酶，負責信號分子AHL的合成，在LuxI蛋白酶催化下，以SAM和ACP為底物合成 AHL[12]。AHL合成后便通過細胞膜釋放到環(huán)境中，由于AHL可以自由通過細胞膜，所以膜內(nèi)外的AHL濃度一致。隨著細菌數(shù)量的增加，AHL呈正相關增加，當AHL濃度達到一定閾值時，便與細菌膜內(nèi)的LuxR 蛋白的N端特異性結合形成 AHL-LuxR 復合物，進而激活基因的轉(zhuǎn)錄[13]。LuxR蛋白是細胞質(zhì)內(nèi)自誘導物感受因子，同時也是一種DNA結合轉(zhuǎn)錄激活元件，負責特異性結合AHL。LuxR蛋白具有兩個主要的結構域，一個是位于N-末端結構域內(nèi)的AHL結合域(ligand-binding domain, LBD)，即AHL結合位點，另一個則是位于C-末端結構域內(nèi)的靶基因結合域(DNA-binding domain, DBD)，此區(qū)域具有保守的螺旋- 轉(zhuǎn)角- 螺旋結構。當形成AHL- LuxR復合物后，由于DBD區(qū)域的暴露，導致其與下游的靶基因啟動子相結合，從而激活下游基因的轉(zhuǎn)錄過程，如費氏弧菌在熒光素酶基因被激活后出現(xiàn)發(fā)光現(xiàn)象[14]。

圖1 革蘭氏陰性菌中LuxI/R群體感應系統(tǒng)調(diào)控示意圖Fig.1 Schematic diagram of LuxI/R QS system in gram-negative bacteria

隨著QS相關研究的不斷深入，已在許多細菌中發(fā)現(xiàn)類似費氏弧菌LuxI/LuxR系統(tǒng)的群體感應系統(tǒng)，其中研究較為透徹的是銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)。銅綠假單胞菌具有復雜的信息交流機制，至少存在3種QS調(diào)控系統(tǒng)，分別為LasI/LasR、RhlI/RhlR和PQS系統(tǒng)[15]。銅綠假單胞菌主要依賴于Las系統(tǒng)和Rhl系統(tǒng)進行QS相關調(diào)控。Las系統(tǒng)主要生成3-oxo-C12-HSL信號分子，由自誘導物合成酶LasI及轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子LasR進行QS系統(tǒng)調(diào)控[16]。Las系統(tǒng)不僅能調(diào)節(jié)自身的正反饋循環(huán)，其產(chǎn)生的信號分子還能正向調(diào)節(jié)Rhl系統(tǒng)的轉(zhuǎn)錄。彈性蛋白酶、LasA 蛋白酶、堿性蛋白酶及外毒素等毒力因子的表達均受到Las系統(tǒng)的調(diào)控[17]。與LasI/LasR相似，RhlI/RhlR系統(tǒng)中的信號分子合成酶 RhlI 能夠產(chǎn)生信號分子C4-HSL，當C4-HSL達到濃度閾值時，與轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子RhlR蛋白結合，進而調(diào)控相關毒力因子的表達，如鼠李糖脂的生成，嗜鐵素、綠膿菌素、LasA 蛋白酶及 LecA/LecB凝集素等的表達[18]。相關研究表明，Las與Rhl系統(tǒng)具有復雜的相互調(diào)控及自誘導調(diào)節(jié)作用，Las系統(tǒng)對轉(zhuǎn)錄激活蛋白RhlR的表達具有調(diào)控作用，完整且具有活性的Las系統(tǒng)能夠?qū)hl系統(tǒng)調(diào)控基因完全激活。其次，PQS類信號系統(tǒng)以2-庚基-3羥基- 4-喹諾酮為信號分子，能夠調(diào)控生物被膜的形成和毒力因子的產(chǎn)生。此外，PQS系統(tǒng)與Las/Rhl系統(tǒng)的級聯(lián)反應有關，能夠調(diào)控 Rhl的表達，而其自身的合成又受 Las系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，并且PQS系統(tǒng)的生物活性又依賴于RhlR的存在[19]。最近研究還發(fā)現(xiàn)了銅綠假單胞菌中一種新型的QS輔助系統(tǒng)GacS/GacA系統(tǒng)，該系統(tǒng)在細菌遷移、生物被膜形成過程中具有重要作用。

1.2 革蘭氏陽性菌的群體感應系統(tǒng)

在一些革蘭氏陽性菌，如芽孢桿菌、肺炎鏈球菌、糞腸球菌和金黃色葡萄球菌等病原菌中也發(fā)現(xiàn)了群體感應機制。革蘭氏陽性菌的QS系統(tǒng)中最普遍的信號分子為AIPs化合物。AIPs是經(jīng)過加工或加工后修飾的自身分泌的前導肽，由雙組分磷酸激酶蛋白產(chǎn)生，其氨基酸側鏈通常含有異戊烯、硫內(nèi)酯環(huán)等修飾性基團，氨基酸數(shù)量多數(shù)為5～17個。與高絲氨酸內(nèi)酯類信號分子不同，AIPs不能以自由擴散的方式通過細胞膜，需要在細胞質(zhì)中經(jīng)前導肽切割、加工、修飾后結合到ATP轉(zhuǎn)運蛋白上，利用ComAB基因編碼的ABC(ATP binding cassette)轉(zhuǎn)運系統(tǒng)輸出到胞外[20]。當AIPs累積到一定濃度閾值時，雙組分系統(tǒng)的感應識別元件被激活，AIPs被磷酸激酶受體識別，并在激酶中組氨酸殘基進行磷酸化，經(jīng)過與之對應的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白的天冬氨酸殘基傳導磷酸化信號，最終磷酸化的響應調(diào)節(jié)蛋白與DNA特定位點結合，進而調(diào)控QS相關基因的表達，形成動態(tài)的交流系統(tǒng)。金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)的Agr系統(tǒng)是一種研究較為廣泛的QS調(diào)節(jié)系統(tǒng)[21]，見圖2。圖2顯示，在葡萄球菌的Agr系統(tǒng)中，AIPs信號分子由AgrD蛋白編碼合成，通過膜蛋白AgrB進行硫代內(nèi)酯環(huán)化修飾并分泌到胞外。當AIPs達到一定閾值后，與受體組氨酸蛋白激酶AgrC結合并使之磷酸化，由磷酸化級聯(lián)反應將信號分子傳遞給調(diào)控蛋白AgrA，進而激活Agr系統(tǒng)中的靶啟動子P2和P3的轉(zhuǎn)錄，分別產(chǎn)生RNAII和RNAIII[22]。由啟動子P2啟動的RNAII轉(zhuǎn)錄框主要包括agrA、agrB、agrC及agrD基因的agr操縱子，而啟動子P3啟動的RNAIII轉(zhuǎn)錄框則是agr系統(tǒng)的效應分子，研究發(fā)現(xiàn)，這些因子對宿主的附著、免疫逃逸能力、毒素及入侵相關蛋白酶的產(chǎn)生具有重要作用[23]。

蠟樣芽胞桿菌(Bacilluscereus)是一種兼性厭氧的產(chǎn)芽孢桿菌，廣泛分布于土壤、植物以及各種食品中。蠟樣芽胞桿菌作為一種條件致病菌常常與食物中毒有關，通過自身產(chǎn)生并分泌各種溶血素及毒素從而引起急性胃腸炎等疾病。研究發(fā)現(xiàn)，B.cereus中存在著3種QS系統(tǒng)，分別為PlcR- PapR、LuxS/AI- 2和Rap- Phr系統(tǒng)。在PlcR- PapR系統(tǒng)中，PapR編碼短的信號肽前體，通過plcR和nprB分別編碼的中性蛋白酶NprB在細胞外激活，加工修飾后的AIP通過寡肽通透酶系統(tǒng)(Opp)內(nèi)化到細胞中，與轉(zhuǎn)錄因子PlcR形成四聚體，進而激活QS調(diào)控基因的表達[24]。

研究表明，枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)中也存在AIP類的QS系統(tǒng)，主要以CSF和ComX兩種小分子寡肽為信號分子，當其濃度達到一定閾值時，激活感受態(tài)轉(zhuǎn)錄因子Com K并表達，從而促進細胞的感受態(tài)形成[25]。此外，肺炎鏈球菌感受外源DNA的感受態(tài)行為也利用了類似的調(diào)控系統(tǒng)[26]。

圖2 金黃色葡萄球菌中的雙組分群體感應系統(tǒng)Fig.2 Two component QS system in Staphylococcus aureus

1.3 種間的群體感應系統(tǒng)

自然界微生物單一菌落形成的概率微乎其微，同一生長環(huán)境下種間相互影響、相互作用。共存體系中多菌間的相互作用相對復雜，正因為如此，人們對于微生物的利用尚處在發(fā)展階段。隨著研究的不斷深入，研究者對菌間作用的認識不斷加深。1933年，Caliver[27]發(fā)現(xiàn)布氏瘤胃球菌(Ruminococcusbromii)能夠在與其他微生物共培養(yǎng)的條件下分解自身不能分解的抗性淀粉。在共培養(yǎng)條件下，微生物之間或協(xié)同代謝，或相互競爭，常見的微生物共培養(yǎng)主要包括接觸共培養(yǎng)和非接觸共培養(yǎng)兩種。接觸共培養(yǎng)是指兩種細胞沒有分開來，如簡單的混合培養(yǎng)(按一定比例混合)；非接觸共培養(yǎng)是指利用一定的共培養(yǎng)裝置將兩種細胞接種到同一培養(yǎng)體系中生長，兩種細胞分開，存在物質(zhì)交換。種間群體感應的研究正是在此基礎上對群體感應研究的進一步深化，具體是指在競爭環(huán)境下能夠感受外源微生物釋放的種間信號分子及群體數(shù)量，從而誘導出現(xiàn)特定的生理現(xiàn)象[28]。革蘭氏陰性和陽性細菌之間具有由自身誘導物呋喃酰硼酸二酯(AI- 2)介導的QS系統(tǒng)，該系統(tǒng)由LuxS蛋白催化(luxS)編碼產(chǎn)生，可參與細胞代謝，AI- 2也被認為是用于種間通訊的通用信號分子，主要被利用感知群體數(shù)量，啟動下游基因的表達。

隨著對種間群體感應研究的深入，21世紀初，研究者發(fā)現(xiàn)細菌群體感應存在“合作- 欺騙”關系，即QS所調(diào)控的群體行為不僅表現(xiàn)為菌群協(xié)作，還存在部分不參與協(xié)作的欺騙行為[29]。群體感應的欺騙現(xiàn)象是相較合作而言的，在共存體系中微生物個體獲取其他個體所分泌的公用物質(zhì)如群體感應信號分子、鐵載體、蛋白酶等[30-31]，從而享受群體感應所帶來的生長利益，這一現(xiàn)象也被稱為群體感應的竊聽行為。據(jù)報道，埃希氏菌屬、克雷伯氏菌屬、沙門氏菌屬和志賀氏菌等能夠產(chǎn)生一種被稱為SdiA的LuxR同源物，這些微生物缺乏AHL合成酶而不產(chǎn)生AHL；但SdiA分子可以結合其他微生物產(chǎn)生的AHL并影響不產(chǎn)AHL細菌的轉(zhuǎn)錄[32-33]。Case等[34]描述了非AHL產(chǎn)生微生物的竊聽行為，它們能夠結合并利用其他生物體所產(chǎn)生AHL，通過響應這些信號來調(diào)節(jié)自身行為。在競爭環(huán)境下，種間群體感應能夠調(diào)控抗生素的合成，參與新抗生物質(zhì)的產(chǎn)生或提高已有物質(zhì)的產(chǎn)量，如芽孢桿菌在生存競爭選擇壓力下會產(chǎn)生大量的細菌素[35]。群體感應調(diào)控抗生素合成對種間競爭非常重要，并且允許混雜的信號受體在混合微生物環(huán)境中對競爭對手進行竊聽。Chandler等[36]構建了雙物種共培養(yǎng)模型，表明只要可以產(chǎn)生足夠的抗生素來殺死競爭者，竊聽就可以促進競爭期間的適應性；如果激活閾值相對較低，竊聽也可能是有害的，所以只有在竊聽有益的特定情況下，受體才會出現(xiàn)廣泛的特異性。因此，竊聽行為在種間群體感應調(diào)控中的具體作用或是否會存在優(yōu)勢條件均不得而知，該行為容易受復雜的菌群環(huán)境、特異性AHL受體的信號傳遞及野生型菌株的竊聽等復雜條件的影響。

1.4 其他群體感應調(diào)節(jié)系統(tǒng)

除常見的QS調(diào)控系統(tǒng)之外，在腸出血性大腸桿菌中還發(fā)現(xiàn)了一種由AI- 3 類信號分子介導的QseC/B型QS系統(tǒng)。AI- 3類信號分子與AI- 2完全不同，其由寄主分泌的去甲腎上腺素和應激激素腎上腺素所生成[37]。首先，AI- 3被組氨酸感受器激酶QseC和反應調(diào)節(jié)器QseB組成的雙組分信號識別，與QseC蛋白結合后，QseC蛋白啟動自磷酸化，QseB蛋白被激活，從而觸發(fā)下游信號轉(zhuǎn)導通路，最終激活相關毒力基因的轉(zhuǎn)錄過程[38]。隨著對QS研究的深入，該型QS系統(tǒng)在志賀氏菌(Shigella)、沙門氏菌(Salmonella)、胡蘿卜軟腐歐文氏菌(Erwiniacarotovora)、多殺巴斯德氏菌(Pasteurellamultocida)、紫色色桿菌(Chromobacteriumviolaceum)等中也得到了驗證，說明此類交流方式不只存在于大腸桿菌。

隨著群體感應研究的深入，在野油菜黃單胞菌(X.campestrispv.campestris, Xcc)中發(fā)現(xiàn)了一種新型DSF信號分子，其對胞外酶和胞外多糖的產(chǎn)生以及細胞膜的形成具有調(diào)控作用[39]。在蔥伯克霍爾德菌和銅綠假單胞菌中也檢測到了DSF，且DSF可作為信號分子調(diào)控細菌的生物行為[40]。此外，DKPs信號分子在銅綠假單胞菌(P.aeruginosa)、異性變形桿菌(Proteusmirabilis)以及腐敗希瓦氏菌(Shewanellaputrefaciens)等細菌中均有發(fā)現(xiàn)[41]。DKPs具有穩(wěn)定的六元環(huán)結構，是由兩個氨基酸縮合而形成的環(huán)二肽結構。研究發(fā)現(xiàn)，部分二酮哌嗪類化合物對細菌中的信號分子具有競爭作用，能夠抑制原本的群體感應系統(tǒng)或者加快LuxR蛋白激活表達而促進QS系統(tǒng)[42]。CAI- 1(cholerae autoinducer-1)型信號分子在哈維氏弧菌(Vibrioharveyi)和霍亂弧菌(Vibriochoierae)中均有發(fā)現(xiàn)，其依賴于CqsA合成。CqsA與磷酸吡哆醛結合轉(zhuǎn)氨酶有關，通常催化縮合的氨基酸和羥基硫酯[43]，但目前關于該類信號分子的作用機制和應用卻鮮有報道。

2 群體感應與食品腐敗

食品的腐敗變質(zhì)不僅會降低食品的食用價值，且在食品腐敗變質(zhì)過程中會產(chǎn)生一些有害物質(zhì)從而威脅人們的身體健康。因此，食品的腐敗變質(zhì)問題是影響食品質(zhì)量與安全的最突出問題，每年由此帶來的經(jīng)濟及環(huán)境污染問題都會給社會帶來巨大的損失，而明悉食品的腐敗機制，從而針對性地延緩食品腐敗顯得尤為重要。研究表明，致腐微生物是導致食品腐敗的重要因素，而腐敗菌中的某些致腐活性能夠受到群體感應的調(diào)控，且這種系統(tǒng)已經(jīng)被證明存在于水產(chǎn)品、果蔬制品、畜禽制品以及乳制品等大部分食品體系中。因此了解致腐微生物的群體感應系統(tǒng)能夠更好地幫助人們控制食品腐敗。

2.1 群體感應對水產(chǎn)品腐敗變質(zhì)的影響

目前，對于水產(chǎn)品腐敗變質(zhì)過程中群體感應作用的研究主要集中于魚類及蝦類中，而對于貝類、藻類等其他水產(chǎn)品的研究相對較少。Flodgaard等[44]研究發(fā)現(xiàn)，從真空包裝鱈魚片中分離得到的氣單胞菌及發(fā)光桿菌均能夠產(chǎn)生群體感應信號分子，且相同的信號分子也能夠在鱈魚片提取物中檢測得到。Romero等[45]發(fā)現(xiàn)，魚源黃桿菌能夠分泌短鏈的AHLs；黃旭鎮(zhèn)等[46]發(fā)現(xiàn)，水產(chǎn)品致腐菌嗜水氣單胞能夠分泌產(chǎn)生C4-HSL,同樣熒光假單胞菌的AHLs產(chǎn)量也較高；朱素芹等[47]證明，在凡納濱對蝦中能夠檢測出AI- 2以及DKPs兩種信號分子，且當添加外源AHLs后能夠顯著提高凡納濱對蝦的腐敗進程；張彩麗等[48]發(fā)現(xiàn)，從真空包裝大菱鲆中分離得到的氣單胞菌屬及沙雷氏菌屬能夠分泌產(chǎn)生3種以上的AHLs, 且添加外源AHLs 以及 QSI能夠明顯干擾其中2株菌的生物被膜形成以及胞外蛋白酶活性。此外，還有眾多研究者分析了水產(chǎn)品致腐微生物產(chǎn)生的AHLs對其自身致腐能力的影響。Li等[49]研究發(fā)現(xiàn)，大比目魚的腐敗菌為氣單胞菌，其能夠分泌多種AHLs，其中外源添加的C8-HSL能夠調(diào)控氣單胞菌嗜鐵素的產(chǎn)生，且能夠與C4-HSL一起使魚體貯藏過程中的TVB- N值快速上升。雖然實驗均證明了信號分子以及群體感應系統(tǒng)能夠參與并調(diào)控水產(chǎn)品的腐敗進程，但總體而言，QS 對水產(chǎn)品腐敗的影響還處于起步階段，其具體的調(diào)控機理尚不明晰，因此還需要進一步的研究以探明QS對水產(chǎn)品腐敗的調(diào)控機制。

2.2 群體感應對畜禽產(chǎn)品腐敗變質(zhì)的影響

畜禽肉制品在我國食品消費中占有重要地位，其產(chǎn)品種類及形式豐富，且畜禽肉制品與水產(chǎn)品相似，同為高蛋白食品，因而導致其腐敗變質(zhì)的因素與水產(chǎn)品相近，同為能夠分解蛋白等營養(yǎng)素的致腐菌如氣單胞菌、假單胞菌、腸桿菌。研究表明，與水產(chǎn)品情況相同，畜禽肉制品的腐敗變質(zhì)過程也能夠受到群體感應系統(tǒng)的調(diào)控。目前，已經(jīng)在貯藏中的牛肉、雞肉以及豬肉等畜禽制品中檢測到了具有活性的AHLs。Bruhn等[50]從真空密封的豬肉中分離得到了蜂房哈夫尼亞菌，并證明它所分泌的3-oxo-C6-HSL類信號分子能夠通過QS系統(tǒng)來調(diào)節(jié)環(huán)境中的其他腐敗菌的代謝，從而促進豬肉的腐??；Nychas等[51]從腐敗的肉制品中檢測到了大量的AHLs類信號分子，并發(fā)現(xiàn)信號分子的加入能夠提高肉中致腐菌黏質(zhì)沙雷氏菌的生長曲線，從而有利于其成為體系中的優(yōu)勢腐敗菌；Gram等[52]證明，當肉制品中的腸桿菌達到一定的密度后，其分泌的AHLs便可以調(diào)控自身酶系統(tǒng)，從而使其在相對較低的菌密度下依然能夠影響肉制品的品質(zhì)。研究表明，在新鮮冷卻豬肉中依然能夠檢測出AHLs類信號分子，且腐敗菌中已經(jīng)存在部分群體感應現(xiàn)象。除了AHLs外，還分別在氣調(diào)包裝以及常規(guī)包裝的牛肉、火雞肉中檢測出了AI- 2型信號分子，這表明多種類型的群體感應系統(tǒng)普遍存在于畜禽肉制品中。因此，檢測不同肉制品中存在的群體感應系統(tǒng)及信號分子并探究其對肉制品腐敗變質(zhì)的影響，能夠成為未來研究的重要方向。

2.3 群體感應對乳制品腐敗變質(zhì)的影響

乳制品是人們重要的蛋白質(zhì)攝入來源，同時也是微生物天然的培養(yǎng)基。液態(tài)乳制品極易在加工及貯藏過程中受到微生物的污染，從而導致乳制品腐敗，貨架期減低，并嚴重危害消費者的身體健康。與其他食品相比，乳制品的貯藏及運輸往往在低溫環(huán)境中進行，因此其腐敗菌多為耐冷菌，如熒光假單胞菌等。耐冷菌所分泌的蛋白酶及脂酶具有良好的熱穩(wěn)定性，這使其在經(jīng)過巴氏滅菌后依然能夠?qū)θ橹破吩斐刹焕绊?。Whan等[53]從冷藏牛奶中分離得到了熒光假單胞菌，且證明其所分泌的C4-HSL及3-oxo-C8-HSL能夠通過群體感應系統(tǒng)調(diào)控自身蛋白酶的活性，從而對牛奶品質(zhì)造成影響。食品的貨架期取決于食品體系中腐敗菌的生長速率以及延滯期。Dunstall等[54]證明，熒光假單胞菌所分泌的信號分子能有效縮短自身培養(yǎng)過程中的延滯期，且能夠提高自身的生長速率，從而導致乳制品腐敗速率加快；此外，研究表明，除了一些嗜冷菌外，沙雷氏菌也能夠通過群體感應系統(tǒng)來調(diào)節(jié)乳制品的腐敗。Christensen等[55]研究發(fā)現(xiàn)，AHLs合成酶基因缺失的沙雷氏菌對鮮牛乳的致腐能力相較于野生株大大減弱，而當添加外源信號分子后其致腐能力便得以恢復。但Martins[56]也指出，某些熒光假單胞蛋白酶的活性不受AHLs的調(diào)控，且在牛奶中也存在能夠抑制QS系統(tǒng)的活性成分。

2.4 群體感應對果蔬腐敗變質(zhì)的影響

果蔬及其制品是我國居民最重要的維生素攝入來源，但果蔬制品在采后容易發(fā)生組織衰老、機械損傷以及病原菌的侵染等問題，這使得果蔬制品相較于肉制品而言更容易發(fā)生腐敗現(xiàn)象。每年約有20%～40%的新鮮果蔬因采后品質(zhì)劣變而失去商品價值，直接經(jīng)濟損失超過1 000億元。研究表明，微生物在代謝過程中所分泌的果膠酶、纖維素酶等是造成果蔬組織發(fā)生軟化以及腐敗的重要原因之一,而與蛋白酶相似，微生物果膠酶的分泌同樣能夠受到群體感應系統(tǒng)的調(diào)控。Kwak等[57]研究發(fā)現(xiàn),常見蔬菜致腐菌變形斑沙雷氏菌的脂肪酶及蛋白酶分泌能夠受到群體感應系統(tǒng)的調(diào)控；Rasch等[58]的實驗也表明AHLs類信號分子所介導的群體感應系統(tǒng)能夠參與并調(diào)控豆芽的軟腐過程中主要腐敗菌，如腸桿菌、假單胞菌和弧菌等的果膠酶的分泌；此外，研究者在胡蘿卜、番茄、南瓜、辣椒等蔬菜的提取物中均能夠檢測出具有活性的AI- 2類信號分子，但AI- 2所介導的群體感應系統(tǒng)是否如AHLs- QS系統(tǒng)一樣直接參與了果蔬的腐敗調(diào)控仍有待研究。

3 群體感應在食品工業(yè)中的應用

隨著生物技術的不斷發(fā)展，在食品生產(chǎn)中具有悠久歷史的微生物在現(xiàn)代食品工業(yè)中正發(fā)揮著越來越重要的作用。由于群體感應系統(tǒng)對于微生物廣泛而高效的調(diào)控作用，使其在現(xiàn)代食品工業(yè)中展現(xiàn)出強大的應用潛力。

3.1 利用群體感應淬滅的腐敗微生物防控

以微生物繁殖代謝為主要誘因的高蛋白食品腐敗以及果蔬產(chǎn)品病害對食品的流通及銷售造成了巨大的障礙，并阻礙了相關產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展，因此對于食品體系中有害微生物的防控一直是相關研究的重點。通過干預特定微生物的QS系統(tǒng)，阻礙微生物之間的“信息交流”，降低危害因子的表達水平，這種現(xiàn)象被稱為群體感應淬滅(quorum quenching, QQ)[59]。具有群體感應淬滅作用的活性物質(zhì)則被統(tǒng)稱為群體感應抑制劑(quorum sensing inhibitor, QSI)。QQ主要通過三種途徑起作用，分別為抑制 AHLs 信號分子的形成，阻止AHLs信號分子的擴散，利用 AHLs 類似物競爭結合受體蛋白。與傳統(tǒng)的以抑制和殺滅微生物為主要目的的防控手段相比，QQ不會造成微生物的生長壓力，也不會誘發(fā)微生物耐藥性的產(chǎn)生。因此，以QQ為基礎的QSI的研究與開發(fā)逐漸受到了廣大研究人員的關注，并成為一種控制有害微生物的新策略。

3.1.1抑制AHLs的合成

在典型的LuxI/R群體感應系統(tǒng)中，AHLs的合成不僅需要LuxI家族合成酶，還需要?；d體蛋白(ACP)和S-腺苷甲硫氨酸(SAM)底物的共同作用， 其中烯?；?ACP還原酶Fabl和酰基載體蛋白(ACP)酶在這一過程中發(fā)揮著重要作用。Dong等[60]研究發(fā)現(xiàn)，三氯生(triclosan)能夠有效降低Fabl酶的活性，從而阻止?；?ACP被還原，并最終起到抑制AHLs信號分子合成的作用；Morohoshi等[61]研究發(fā)現(xiàn)，人工合成的N-九酰環(huán)戊胺(C9-CPA)對黏質(zhì)沙雷氏菌(Serratianarcescens)中QS介導的毒力基因表達具有顯著的抑制作用；另外研究發(fā)現(xiàn)，人參提取物能夠有效抑制銅綠假單胞菌中AHLs的合成，并以此抑制LasA、LasB蛋白酶的產(chǎn)生[62]；同樣，假單胞菌JM2的無細胞上清液也對銅綠假單胞菌的綠膿素以及上述兩種蛋白酶的產(chǎn)生展現(xiàn)出較強的抑制作用[63]；除此之外，紅霉素、阿司匹林和姜黃酮等物質(zhì)均已被證明具有抑制AHLs合成的作用[64]。

3.1.2抑制AHLs的擴散

阻止AHLs的擴散主要通過降解AHLs實現(xiàn)，從而使其胞外濃度達不到發(fā)生調(diào)控作用的閾值，以此阻礙AHLs與受體蛋白的結合，并起到群體感應淬滅的效果，這被認為是最直接也是最高效的一種群體淬滅方法。AHLs的降解主要分為化學降解和生物降解兩大類，其中化學降解是利用某些合成化合物對AHLs進行體外降解，如氧化鹵素(HClO)、2-庚基-3-羥基-4-喹諾酮(PQS)等；而生物降解則是利用微生物自身分泌的某些具有降解AHLs活性的酰化酶或內(nèi)酯酶對AHLs進行水解。Michels等[65]的研究表明，HClO能夠與3-oxo-HSL發(fā)生鹵代反應產(chǎn)生2, 2-二鹵代-3-氧-AHL，并在pH值為8時進一步水解為2, 2-二鹵代-N-乙酰基-L-高絲氨和脂肪酸，從而實現(xiàn)對3-oxo-HSL的降解，且反應效率較高，僅1 min便能實現(xiàn)約75%的有效降解。研究發(fā)現(xiàn)，某些微生物如肺炎克雷伯氏菌(Klebsiellapneumoniae)、根癌農(nóng)桿菌(Agrobacteriumtumefaciens)、芽孢桿菌(Bacillussp.)和銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)等能夠分泌具有降解AHLs能力的酰基轉(zhuǎn)移酶以及內(nèi)脂酶。如芽孢桿菌所分泌的AiiA內(nèi)脂酶能夠有效降解N-?；呓z氨酸內(nèi)酯環(huán)中的內(nèi)酯鍵，形成相應的N-酰高絲氨酸并使AHLs喪失活性。Yang等[66]研究發(fā)現(xiàn)，對氧磷酶(paraoxonase, PON)及其同工酶PON1、PON2及PON3同樣能夠促使長鏈AHLs的高絲氨酸內(nèi)酯環(huán)開環(huán)，從而使?；鶄孺満透呓z氨酸內(nèi)酯環(huán)分離，并最終導致AHLs活性發(fā)生鈍化。此外，鏈霉菌(Streptomycessp.)及假單胞菌(Pseudomonassp.)中的β-內(nèi)酰胺酰基酶類同樣能夠水解長鏈AHLs的酰胺鍵。

3.1.3利用AHLs類似物競爭結合受體蛋白

AHLs主要由高絲氨酸內(nèi)酯環(huán)以及?；鶄孺溄M成，而自然界中具有相似結構的化合物眾多。研究表明，這種結構類似物能夠競爭性地與AHLs的特異性受體蛋白的活性位點進行結合，從而阻斷微生物的QS作用通路，以此降低其調(diào)控的生物性狀的表達。這種具有間接抑制微生物群體感應能力的AHLs 類似物被稱為群體感應拮抗劑。這類物質(zhì)最早發(fā)現(xiàn)于海洋紅藻(Deliseapulchra)中，其提取物中的鹵化呋喃酮(halogenated furanones)能夠競爭性地與葉表沙雷氏菌(Serratiasp.)中的LuxR型AHLs受體蛋白進行結合，從而阻斷其QS系統(tǒng)，導致其不能在葉片表面形成生物被膜[67]。研究發(fā)現(xiàn)，AHLs結構類似物N-癸?；?L-高絲氨酸卞酯能夠顯著抑制銅綠假單胞菌中群體感應相關基因lasR、lasI、rhlR和rhlI的表達，并以此降低銅綠假單胞菌的抗生素抗性；此外，大黃素、香芹酚等AHLs結構類似物均被證明能夠抑制假單胞菌的群體感應現(xiàn)象；筆者研究團隊通過計算機輔助的分子篩選技術從天然化合物中篩選得到了眾多具有群體感應活性的化合物，如肉桂醛、香芹酚等，并證明了其在食品保鮮中的應用潛力[68]。

3.2 群體感應在生物合成方面的應用

生物合成作為21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N生物技術，能夠有效地解決目的產(chǎn)物大量生產(chǎn)所帶來的環(huán)境污染以及經(jīng)濟成本問題。生物合成在未來食品原輔料生產(chǎn)中同樣扮演著至關重要的作用，但研究表明，對生物反應器的過度改造會給天然細胞帶來嚴重的代謝負擔。此外，工程途徑會與天然代謝競爭碳通量、ATP和氧化還原輔助因子，并可能導致有毒化合物的積累，最終導致抑制微生物的生長，從而限制了產(chǎn)品的效價；同時，計算機模擬預測的許多具有最佳生產(chǎn)效率的基因缺失或過表達策略在體內(nèi)是不可行的，因為它們同樣會對細胞生長或存活造成限制。目前研究者普遍采用在工程途徑中引入誘導表達系統(tǒng)，以期將工程菌的生長階段與生產(chǎn)階段進行分離，但這種表達策略依然不能實現(xiàn)對代謝過程的動態(tài)調(diào)控。此外，許多誘導劑昂貴的價格也降低了其在工業(yè)生產(chǎn)中的可行性。群體感應系統(tǒng)能夠大規(guī)模且高效地調(diào)控目的基因的表達，且具有明顯的自誘導特點，使其成為解決上述問題的理想工具。目前，研究者已經(jīng)在這方面進行了積極的嘗試，如Williams等[69]通過在目的基因前串聯(lián)受群體感應調(diào)控的PFUS1J2啟動子，實現(xiàn)了對釀酒酵母中代謝途徑的動態(tài)調(diào)節(jié)，并以此提高了莽草酸途徑中對羥基苯甲酸的產(chǎn)量；Zou等[70]通過將群體感應啟動子與工程菌中的裂解基因相連，并將改造后的工程菌封裝入微膠囊內(nèi)，以此構成能夠根據(jù)菌密度進行自行裂解并釋放目的蛋白的生物合成體系。同樣，Anand等[71]將QS系統(tǒng)應用于胞外酶的產(chǎn)生，從而使細胞只有在高密度時才能產(chǎn)生胞外酶。由此可見，群體感應系統(tǒng)的引入確實在生物合成發(fā)酵領域具有廣闊前景。

4 展 望

群體感應作為微生物研究中的一個新興研究領域，直到20世紀90年代才逐漸受到關注，目前許多相關研究仍不完善，而食品領域?qū)τ谌后w感應的研究又相對較晚，雖然前人已經(jīng)做出了大量卓有成效的工作，但群體感應對于多數(shù)食品腐敗的相關調(diào)節(jié)機制尚不明晰。由此可見，未來群體感應在食品領域的研究既充滿機遇，又極具挑戰(zhàn)。筆者認為，為了更好地適應這種發(fā)展，今后對于食品領域群體感應的研究應主要集中在以下方面。

1) 鑒于目前群體感應相關調(diào)控機制的不完整性，應借助分子生物學手段進一步完善相關研究；

2) 鑒于食品腐敗體系的復雜性，應著重加強菌間群體感應的相關研究；

3) 鑒于目前信息群體感應抑制劑篩選的低效性，應著重建立新型高效的群體感應抑制劑篩選技術；

4) 鑒于群體感應系統(tǒng)在合成生物學上的廣闊前景，應著重研究發(fā)掘多元的群體感應調(diào)控組件，實現(xiàn)對目的基因的嚴謹調(diào)控，以適應實際生產(chǎn)中工程菌的多樣性。

盡管目前對于群體感應的研究尚存在諸多不足，但隨著分子生物學、合成生物學以及組學等技術的不斷成熟，未來對于群體感應的研究必將進入一個嶄新的階段，而這也必將對我國食品行業(yè)的發(fā)展作出新的貢獻。