破译细菌密语

王芒刚

1968年3月，在美国德克萨斯州，科学家埃利斯·肯普纳和弗兰克·汉森正为一种来自海洋的细菌（现在被称为费氏弧菌）是如何发光的感到困惑。

生物发光在自然界中广泛存在，可以用来吸引配偶、引诱猎物和阻止捕食者。绝大多数会发光的动物生活在海洋中，它们一般是自己发光。然而，也有小部分是靠别人——发光细菌发光。这是一种典型的共生关系，两种生物相互合作，彼此受益：细菌为这种动物提供“光”助其在海洋中取得竞争优势，而这种动物为细菌提供了“温暖舒适的家”。

有条件的发光

费氏弧菌与夏威夷短尾乌贼就是这样的关系。费氏弧菌在短尾乌贼体内生活，帮助它“发光”。短尾乌贼是一种约5厘米长的微小生物，常见于海岸附近，过着夜行生活。当它在水面附近出现时，在月光照射下，会有一个清晰的轮廓，使得它很容易被海豹发现并捕食。于是，它进化出了一种“反光照”防御机制——让费氏弧菌在它体内一个特殊的“光器官”（里面有装细菌的袋子和它的“透镜”和“反射器”）里生活，并对其发出的光进行亮度和方向控制，以此来消除自身的轮廓。

费氏弧菌也不总是发光。例如，当肯普纳和汉森在海底的腐烂物质上发现它们的时候，它们“毫无光泽”。这让他们感到费解——为什么它们在乌贼体内会发光而在那些腐烂物质上就不会？后来，在对该细菌进行培养时他们发现：这些细菌在刚开始生长时，是不发光的;只有当其数量增长到一定程度时（每毫升培养液中大约有20亿个细菌细胞），它们才开始发光。

夏威夷短尾乌贼

他们还发现，如果将费氏弧菌培养到这个数量，然后将其从培养液中除去，那么，这时只需在这“处理过的”液体中培养出少量的细菌，它们也会立即发光！这是为什么呢？肯普纳和汉森认为，当原先的细菌被移除时，它们留下了一些信息，正是这些信息，让后面数量较少的细菌发光——这说明了细菌在交流！

理过的”液体中培养出少量的细菌，它们也会立即发光！这是为什么呢？肯普纳和汉森认为，当原先的细菌被移除时，它们留下了一些信息，正是这些信息，让后面数量较少的细菌发光——这说明了细菌在交流！

聪明的“一致行动”

那么，这些信息是什么，它们又是如何工作的？肯普纳和汉森花了20年时间，才搞清楚了这些问题，其中涉及到两种关键的蛋白质：LuxI和LuxR。

费氏弧菌在生长的过程中会产生LuxI。它是一种简单的信号分子，可以在细菌中自由进出，随着细胞的分裂和数量的增加，它在环境中会累积得越来越多，直到达到临界浓度。这时候，这种信号分子会与细菌中足够多的LuxR结合，从而触发行为“开关”。也就是说，LuxR激活了细胞产生光的机制。

从本质上讲，Lux Ⅰ做的是“说”，LuxR做的是“听”。这个简单的机制将光的产生与细菌的数量联系了起来。我们可以这么认为，这些细菌并不傻，因为它们知道，只有足够多的细菌一起努力（发光），这样才有意义;少数细菌的努力无济于事，与其做這样无意义的事，不如好好保持体力（不耗费能量来发光）。

在我们周围的土壤里和水中，以及我们的肌肤上，有数以亿计的看不见的细菌正在进行秘密的交流。

这种形式的交流被称为“群体感应”，即微生物彼此相互告知，只有当它们的个数达到一定数量时，它们才一致行动。

被激活的LuxR会产生更多的自身来与LuxI结合，并不断强化这种信号——所谓的“正反馈回路”。这就好比一群水牛被狮子盯上了，其中一只最先发现了狮子，吓得拔腿就跑，于是传播了恐慌，使更多的牛开始奔跑;“跑牛”的增加又传播了更多的恐慌，直到最后发生踩踏事件。类似地，一旦少数细菌的群体感应系统被激活，交流就会变得越来越“激烈”，直到整个群体齐心协力，一致行动。

后来，科学家们在其它种类的细菌中发现了群体感应基因。虽然这些基因各不相同，但是其运作的基本机制是相同的。细菌的一种蛋白质发出信号，随着细菌数量的增加，信号逐渐增强，而另一种蛋白质感知到信号，并在细菌数量足够多时激活行为。

以彼之道施于彼身

群体感应已经被证明可以控制毒素的产生、DNA的交换和孢子的形成，但对我们来说更重要的是，它是否能够被用来控制细菌感染。

正反馈循环：一旦少数细菌的群体感应系统被激活，交流就会变得越来越“响亮”，直到整个群体齐心协力地行动起来。

铜绿假单胞菌是一种狡猾的细菌，它有一整套特异功能，一旦有机会，就会感染植物、昆虫和人类，而重症监护病人、烧伤患者、免疫系统弱的人以及早产儿等弱势群体往往是其首要目标。一旦被其感染就会导致肺炎，甚至肠组织被侵蚀，四分之一的感染者会因此死亡。令人担忧的是，该菌正在学会战胜抗生素，这意味着它更难治疗。要引起感染，细菌必须产生毒素、破坏酶和清除营养物质的分子。显然，这需要许多能量，只有足够多的细菌存在时才能够做到。因此，群体感应在感染中起着关键作用。

这给我们提供了一个机会：如果能找到一种方法来干扰铜绿假单胞菌的这种信号（干扰它们的交流），我们就应该能够阻止感染。目前，研究人员已经发现了可以干扰群体感应和清除受感染小鼠肺部的铜绿假单胞菌的分子，希望可以将其开发成用于临床的药物。

生物界普遍存在“搭便车行为”（不付成本而坐享他人之利的投机行为），细菌也不例外。它们会进行变异（欺骗其它细菌），使得群体感应系统不再发挥作用，然后从其它同伴所做的工作中获益。这为我们提供了另一个机会：也许可以用这种欺骗的手段渗透到感染细菌群中，从而降低该群的适应性，直到它们全部死亡。

此外，有一些细菌会“偷听”其它种类之间的交流，例如当金黄假单胞菌检测到其它种类的群体感应分子时，它会产生抗生素，杀死出现的竞争对手;还有的细菌更为聪明，如有一种贪噬菌，会将其它种类的群体感应分子作为自己的食物来源，在阻止其它种类交流的同时获得了免费的午餐。

随着对细菌交流的理解越来越深，我们就可以尝试“说”它们的语言来为我们的目标服务。目前，就有合成生物学家利用了大肠杆菌的群体感应，来改善生物燃料的生产，从而为绿色能源的生产提供了一条高效益途径。