《Current Opinion in Biotechnology》：Controlling biofilm dynamics to unlock the future of biofilm-based biocatalysis
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本综述系统阐述了通过调控生物膜动力学优化其催化性能的前沿策略。文章聚焦群体感应（QS）、环二鸟苷酸（c-di-GMP）信号网络等关键通路，探讨了光遗传学工具、基因电路等精准调控手段在环境生物技术中的应用，为开发下一代生物膜基生物催化剂提供了重要见解。
生物膜是微生物在界面处形成的聚集态结构，其生理特性与浮游状态截然不同。这些微生物被自身分泌的胞外聚合物（EPS）基质包裹，不仅在连续操作中便于固液分离，还表现出更强的环境波动耐受性和协同相互作用能力，因而成为极具吸引力的生物催化平台。
Why dynamic control is essential for efficient catalytic biofilms
催化生物膜的性能与其发育动力学密切相关。典型的生物膜生命周期包含四个阶段：初始粘附、菌落形成、成熟和分散。这一动态过程影响着生物量积累、化学扩散和细胞间相互作用等关键特性，从而决定了生物膜的整体催化性能。例如，维持适宜的生物膜厚度和EPS浓度至关重要：过薄的生物膜缺乏足够生物量，会削弱结构完整性和细胞间相互作用；而过厚的生物膜则会阻碍底物和代谢产物的扩散，导致营养耗竭和代谢副产物积累。在电化学活性生物膜中，过度增厚还会增加外层细胞与电极间的胞外电子传递距离，降低生物电化学性能。因此，对生物膜动力学进行精准调控是优化催化活性和稳定性的关键。
Recent advances in the regulation of biofilm dynamics
Genetic modulation of biofilm-related genes
早期研究集中于对生物膜相关基因进行遗传改造。例如，生物膜形成的初始粘附阶段主要由鞭毛和IV型菌毛系统介导。过表达这些系统的基因可促进Geobacter sulfurreducens在阳极形成更厚的生物膜。EPS基质约占生物膜生物总量的90%，是调控生物膜结构完整性的核心靶点。过表达外多糖合成酶基因（如Escherichia coli的wcaF和G. sulfurreducens的gsu1501）能显著增强生物膜形成。此外，改造胞外蛋白（如Shewanella oneidensis的表面蛋白BpfA、Bacillus subtilis的淀粉样蛋白TasA等）也深刻影响生物膜发育和结构。
Regulation of biofilm dynamics via C-di-GMP
环二鸟苷酸（c-di-GMP）作为普遍存在的细菌第二信使，通过调控PilZ结构域蛋白、转录因子和核糖开关等效应器，在生物膜形成、成熟和分散中发挥核心作用。其细胞内浓度由合成酶（DGCs）和降解酶（PDEs）的动态平衡控制。一般而言，高c-di-GMP水平通过增强细胞聚集和外多糖产生促进生物膜形成，而低水平则通过增加运动性和减少eDNA产生削弱生物膜。基于此，过表达DGCs（如E. coli的YedQ或YdeH）可增强Comamonas testosteroni、Pseudomonas putida等菌株的生物膜形成，提升污染物降解和发电效率。
光遗传学工具为时空精准调控提供了强大手段。例如，近红外（NIR）响应的DGC BphS被用于增强E. coli将吲哚转化为色氨酸的能力，以及提升S. oneidensis的产电性能。通过蛋白质工程优化BphS灵敏度后，其还可用于有毒污染物的生物传感。双色光遗传系统结合NIR激活的BphS和蓝光响应的PDEs，实现了生物膜厚度的双向动态调控，为可持续生物生产、生物污损防治和高分辨率生物打印提供了新可能。
Regulation of biofilm dynamics via quorum sensing
群体感应（QS）是细菌通过胞外信号分子协调群体行为的通信系统。在革兰氏阴性菌中，N-酰基高丝氨酸内酯（AHLs）由LuxI型酶合成，与LuxR型转录调节因子结合调控靶基因表达；革兰氏阳性菌则通常依赖寡肽信号通过双组分系统进行信号转导。QS在生物膜发育中起关键作用，因此成为调控生物膜动力学的重要靶点。策略包括使用QS抑制剂（信号分子类似物）干扰QS信号，或应用淬灭酶（如内酯酶、酰基转移酶等）降解QS信号以抑制生物膜形成。
基于QS机制，研究人员设计了可编程的基因电路。例如，将Ochrobactrum anthropi的内酯酶基因aiiO导入E. coli，实现了光控表达淬灭酶，有效抑制了Pantoea stewartii在净水膜上的生物污损。另一研究将P. aeruginosa的LasI/LasR QS模块与生物膜分散蛋白Hha、BdcA整合，在微流体系统中实现了微生物群落内生物膜形成和分散的动态控制。此外，工程化E. coli分泌一氧化氮（广谱生物膜分散信号）并配备感知高细胞密度的自调节电路，可抑制周围生物膜形成并防止自身过度生长。这些研究凸显了QS系统的双重用途：作为破坏有害生物膜的靶点，以及构建可编程、自调节生物膜的组件。
Future perspectives
Development of advanced regulatory tools
现有调控工具的效率仍有待提升。蛋白质工程（如定向进化）可优化调控回路中的关键酶（如PDEs和DGCs）活性。此外，许多QS通路和转录调节因子尚未被充分探索，其应用有望扩展调控工具箱。当前依赖化学诱导剂的基因电路存在不可逆激活和下游产物纯化复杂等问题。非侵入性、可逆的控制策略（如光遗传学、新兴的磁遗传学、电遗传学）更具前景。同时，开发用于实时检测关键调控分子（如c-di-GMP、QS信号）的生物传感器，对于实现生物膜动力学的预测性控制至关重要。
Expanding the scope of biofilm dynamic regulation beyond model organisms
目前研究多集中于E. coli、B. subtilis等模式细菌。然而，许多工业相关菌株具有更优越的代谢多样性、生物合成能力和工业鲁棒性。此外，实际的生物催化过程常需使用微生物群落，其通过种间相互作用增强环境扰动下的恢复力和代谢合作能力。将调控目标扩展到非模式菌株和微生物群落，对于提高调控效率和实现规模化应用至关重要。
Coupling biofilm dynamics regulation with functional enhancement
充分释放生物膜催化潜力需要将动力学调控与功能增强相结合。代谢工程可引入外源基因构建新途径、扩展底物利用范围和实现靶向传感功能。另一新兴方向是设计材料-微生物杂合系统，将微生物代谢特异性与功能材料的高活性结合，在生物发电、氢气生产和CO2还原等领域显示出协同效益。将生物膜动力学控制与生物膜-材料杂合系统耦合，有望进一步强化生物-非生物界面，提升催化性能。
Adaptation of dynamically controllable biofilms to applications
生物膜动态调控大多仍处于概念验证阶段，需在实际生物反应器条件下优化。不同反应器配置（如滴滤器、膜反应器、移动床生物膜反应器等）具有不同的传质特性、生物量密度和流体剪切力，对动力学调控提出不同要求。反应器设计也需适应可控生物膜，例如将操作周期与调控动态对齐，并改进光传递和电极结构的集成。尽管动态控制显示出提高生物催化效率的潜力，但其经济可行性尚不明确，未来需要结合生命周期评估进行技术经济分析，以量化该策略的价值并指导进一步优化。
