文献分享：Quorum Sensing Communication

文章标题：Quorum Sensing Communication: Molecularly Connecting Cells, Their Neighbors, and Even DevicesINTRODUCTION

这篇文章主要告诉我们关于群体感应（QS），它是一种分子信号传递方式，介导基于分子的细胞-细胞通信。它解释了QS网络如何为细菌提供了一种从环境中收集信息并根据情报做出决定的方法。

文章还讨论了这一过程如何能够被重新连接起来，以实现自主行动，但由分子编程的基因控制。此外，文章还回顾了两个特征明确的QS系统及其信号、受体、信号转导机制和目标输出。总之，文章概述了QS的概念及其在合成生物学和微生物联合体中的潜在应用。

PART ONE

图1.群体感应系统调控机制示意图

图a是典型的群体感应系统。LuxI产生群体感应因子AHL1，然后AHL1就会积累，当AHL1的浓度达到一定程度后，与LuxR结合，形成复合物，此复合物启动荧光素酶操纵子的表达，而且LuxI也在操纵子中，所以就会形成一个正反馈系统，使得大量AHL生成，将附近的所有细菌产生群体感应。

图b是另一种调控机制。AI-2通过转运体LsrACDB进入细胞，然后被LsrK磷酸化后，解除LsrR对Lsr转运体基因的抑制，从而使得细胞产生更多AI转运体，从而起到一个群体感应的效果。

PART TWO

图2.QS生物传感器示意图

这是利用群体感应系统来作为一种探测环境中的污染物的生物传感器。AI启动QS系统，然后例如重金属离子等污染物作为信号分子放大QS环路，从而激活下游基因表达，发出光或荧光等信号。

此外，QS还能用来在群体中使得特定部分表现出所需要的特性或行为。例如操纵AI的浓度，通过QS机制使群体中的部分细胞产生相同的行为。

图3.QS机制治疗机制示例图

利用QS的治疗方法，可以研发一种新型的益生菌，其对病原体产生的AHL特别敏感（LasR），从而利用AHL激活一系列基因表达，产生细菌毒素pyoS5，细胞裂解蛋白lysin E7来杀死铜绿假单胞菌。以及抗生物膜酶DspB，可以与生物膜靶向的纳米体结合，从而促进生物膜的穿透。

图4.沙门氏菌治疗示例图

利用沙门菌靶向癌细胞的特性，可以利用工程沙门菌进行治疗。但又要防止沙门菌对人体的危害，所以采用了一种自杀开关设计。当沙门菌的浓度达到一定阈值时，就裂解并释放出代谢物。同时通过AI-2募集益生菌，从而对肿瘤细胞进行杀伤。

图5.QS促进生物合成的例子

G-6-P的代谢可分为三个途径，1.肌醇MI的产生，2.糖酵解3.磷酸戊糖途径。随着种群中AHL的浓度提高，P_esaS启动子会被AHL结合的EsaR抑制，然后关闭Pfk-1酶的表达，这使得糖酵解被抑制，从而产生更多的肌醇和葡萄糖酸。

PART THREE

图6.群体感应的合成联合体的应用

课题中利用QS系统构建一个“与”门。图中，绿色的群体1在启动子P_QS1的控制下表达QS1R和AHL2，而激活QS1R从而启动P_QS1表达的AHL又由黄色的种群2所表达，所以一个群体就为另一个群体的基因表达发出所需要的AHL1和2信号，这就形成了一个与的逻辑开关。左上角是利用两种群体分别产生一种原料从而获得产物，右上角是通过控制一个种群的增长从而调控两个种群的增长率。

然而，要使这些系统有效地工作，必须克服一些挑战。一个是信号串扰（左下），例如QS2R可能会与AHL1也具有一定亲和力，从而导致信号的串联干扰现象。所以，设立一组正交性的QS系统是很有必要的。例如RPA和TRA之间完全正交，互不干扰。

另一个挑战是可能存在一部分细菌依靠公共产品或集体行动来生存而其本身并不贡献。这可能由QS菌之间相互传递毒素而杀死QS突变体来实现避免。（右下）。

PART FOUR

图7.说明群体感应系统可应用于各种领域

文章中发现，QS介导的通信可以针对真核细胞，甚至是病毒。大肠杆菌LuxR的同源物被证明对哺乳动物宿主产生的小分子有反应。植物的相关细菌中也发现了许多LuxR的同源物。人结肠细胞系HCT-8表达IL-8，相应非致病性大肠杆菌的AI-2。噬菌体VP882可以对霍乱弧菌产生的QS AI做出反应，激活噬菌体的裂解程序。