破譯細菌密語

王芒剛

1968年3月，在美國德克薩斯州，科學家埃利斯·肯普納和弗蘭克·漢森正為一種來自海洋的細菌（現在被稱為費氏弧菌）是如何發光的感到困惑。

生物發光在自然界中廣泛存在，可以用來吸引配偶、引誘獵物和阻止捕食者。絕大多數會發光的動物生活在海洋中，它們一般是自己發光。然而，也有小部分是靠別人——發光細菌發光。這是一種典型的共生關系，兩種生物相互合作，彼此受益：細菌為這種動物提供“光”助其在海洋中取得競爭優勢，而這種動物為細菌提供了“溫暖舒適的家”。

有條件的發光

費氏弧菌與夏威夷短尾烏賊就是這樣的關系。費氏弧菌在短尾烏賊體內生活，幫助它“發光”。短尾烏賊是一種約5厘米長的微小生物，常見于海岸附近，過著夜行生活。當它在水面附近出現時，在月光照射下，會有一個清晰的輪廓，使得它很容易被海豹發現并捕食。于是，它進化出了一種“反光照”防御機制——讓費氏弧菌在它體內一個特殊的“光器官”（里面有裝細菌的袋子和它的“透鏡”和“反射器”）里生活，并對其發出的光進行亮度和方向控制，以此來消除自身的輪廓。

費氏弧菌也不總是發光。例如，當肯普納和漢森在海底的腐爛物質上發現它們的時候，它們“毫無光澤”。這讓他們感到費解——為什么它們在烏賊體內會發光而在那些腐爛物質上就不會？后來，在對該細菌進行培養時他們發現：這些細菌在剛開始生長時，是不發光的;只有當其數量增長到一定程度時（每毫升培養液中大約有20億個細菌細胞），它們才開始發光。

夏威夷短尾烏賊

他們還發現，如果將費氏弧菌培養到這個數量，然后將其從培養液中除去，那么，這時只需在這“處理過的”液體中培養出少量的細菌，它們也會立即發光！這是為什么呢？肯普納和漢森認為，當原先的細菌被移除時，它們留下了一些信息，正是這些信息，讓后面數量較少的細菌發光——這說明了細菌在交流！

理過的”液體中培養出少量的細菌，它們也會立即發光！這是為什么呢？肯普納和漢森認為，當原先的細菌被移除時，它們留下了一些信息，正是這些信息，讓后面數量較少的細菌發光——這說明了細菌在交流！

聰明的“一致行動”

那么，這些信息是什么，它們又是如何工作的？肯普納和漢森花了20年時間，才搞清楚了這些問題，其中涉及到兩種關鍵的蛋白質：LuxI和LuxR。

費氏弧菌在生長的過程中會產生LuxI。它是一種簡單的信號分子，可以在細菌中自由進出，隨著細胞的分裂和數量的增加，它在環境中會累積得越來越多，直到達到臨界濃度。這時候，這種信號分子會與細菌中足夠多的LuxR結合，從而觸發行為“開關”。也就是說，LuxR激活了細胞產生光的機制。

從本質上講，Lux Ⅰ做的是“說”，LuxR做的是“聽”。這個簡單的機制將光的產生與細菌的數量聯系了起來。我們可以這么認為，這些細菌并不傻，因為它們知道，只有足夠多的細菌一起努力（發光），這樣才有意義;少數細菌的努力無濟于事，與其做這樣無意義的事，不如好好保持體力（不耗費能量來發光）。

在我們周圍的土壤里和水中，以及我們的肌膚上，有數以億計的看不見的細菌正在進行秘密的交流。

這種形式的交流被稱為“群體感應”，即微生物彼此相互告知，只有當它們的個數達到一定數量時，它們才一致行動。

被激活的LuxR會產生更多的自身來與LuxI結合，并不斷強化這種信號——所謂的“正反饋回路”。這就好比一群水牛被獅子盯上了，其中一只最先發現了獅子，嚇得拔腿就跑，于是傳播了恐慌，使更多的牛開始奔跑;“跑牛”的增加又傳播了更多的恐慌，直到最后發生踩踏事件。類似地，一旦少數細菌的群體感應系統被激活，交流就會變得越來越“激烈”，直到整個群體齊心協力，一致行動。

后來，科學家們在其它種類的細菌中發現了群體感應基因。雖然這些基因各不相同，但是其運作的基本機制是相同的。細菌的一種蛋白質發出信號，隨著細菌數量的增加，信號逐漸增強，而另一種蛋白質感知到信號，并在細菌數量足夠多時激活行為。

以彼之道施于彼身

群體感應已經被證明可以控制毒素的產生、DNA的交換和孢子的形成，但對我們來說更重要的是，它是否能夠被用來控制細菌感染。

正反饋循環：一旦少數細菌的群體感應系統被激活，交流就會變得越來越“響亮”，直到整個群體齊心協力地行動起來。

銅綠假單胞菌是一種狡猾的細菌，它有一整套特異功能，一旦有機會，就會感染植物、昆蟲和人類，而重癥監護病人、燒傷患者、免疫系統弱的人以及早產兒等弱勢群體往往是其首要目標。一旦被其感染就會導致肺炎，甚至腸組織被侵蝕，四分之一的感染者會因此死亡。令人擔憂的是，該菌正在學會戰勝抗生素，這意味著它更難治療。要引起感染，細菌必須產生毒素、破壞酶和清除營養物質的分子。顯然，這需要許多能量，只有足夠多的細菌存在時才能夠做到。因此，群體感應在感染中起著關鍵作用。

這給我們提供了一個機會：如果能找到一種方法來干擾銅綠假單胞菌的這種信號（干擾它們的交流），我們就應該能夠阻止感染。目前，研究人員已經發現了可以干擾群體感應和清除受感染小鼠肺部的銅綠假單胞菌的分子，希望可以將其開發成用于臨床的藥物。

生物界普遍存在“搭便車行為”（不付成本而坐享他人之利的投機行為），細菌也不例外。它們會進行變異（欺騙其它細菌），使得群體感應系統不再發揮作用，然后從其它同伴所做的工作中獲益。這為我們提供了另一個機會：也許可以用這種欺騙的手段滲透到感染細菌群中，從而降低該群的適應性，直到它們全部死亡。

此外，有一些細菌會“偷聽”其它種類之間的交流，例如當金黃假單胞菌檢測到其它種類的群體感應分子時，它會產生抗生素，殺死出現的競爭對手;還有的細菌更為聰明，如有一種貪噬菌，會將其它種類的群體感應分子作為自己的食物來源，在阻止其它種類交流的同時獲得了免費的午餐。

隨著對細菌交流的理解越來越深，我們就可以嘗試“說”它們的語言來為我們的目標服務。目前，就有合成生物學家利用了大腸桿菌的群體感應，來改善生物燃料的生產，從而為綠色能源的生產提供了一條高效益途徑。