《Microorganisms》：The Role of Quorum Sensing Mechanism in the Functional Properties of Lactic Acid Bacteria
Annalaura Iodice and
Giuseppina Tommonaro
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本文系统综述了群体感应(QS)机制在乳酸菌(LAB)中的关键调控作用，及其在食品、健康与生物技术领域的应用价值。文章详细阐述了QS如何调控LAB的生物膜形成、应激适应、代谢物合成（如细菌素）、益生功能等核心生理功能，并探讨了LAB衍生的QS干扰分子在控制致病菌方面的潜力。这是一篇整合了LAB生理学、QS分子机制及其应用前景的综合性前沿评述。
在微观的菌群世界中，细菌并非孤立生存，它们发展出了一套精密的“通讯系统”——群体感应(Quorum Sensing, QS)，通过分泌和感应被称为“自诱导物”(Autoinducers)的信号分子，来协调群体行为，响应种群密度的变化。乳酸菌(Lactic Acid Bacteria, LAB)，这组在食品发酵、益生菌和生物技术中扮演核心角色的细菌，其诸多令人惊叹的功能特性，正日益被证明与QS机制紧密相连。
1. 乳酸菌(LAB)——概述
乳酸菌是一组革兰氏阳性、不产芽孢、耐酸的细菌，通过碳水化合物发酵产酸。它们被广泛用于食品和乳品生产，作为益生菌、生物肥料以及具有工业价值的胞外多糖的来源。LAB的生理多功能性、代谢多样性及其在食品、健康和农业生物技术中的价值，使其成为重要的微生物资源。
2. 群体感应
QS是微生物的一种细胞间通讯机制，使细菌能够同步协调其行为，以响应细胞密度和邻近群落物种组成的变化。许多微生物生理功能，如毒力、生物发光、抗生素和细菌素的合成、生物膜形成等，都受QS机制调控。该机制的核心是信号分子（自诱导物）的产生、检测以及随之而来的细胞反应。当细菌种群数量增加，自诱导物分子在细胞外环境中的浓度逐渐升高。一旦达到临界浓度阈值，细菌便能检测到这些分子并启动特定反应。
根据化学性质，自诱导物主要分为三类：酰基高丝氨酸内酯(AHLs，主要由革兰氏阴性菌产生)、自诱导肽(AIPs，主要由革兰氏阳性菌如LAB产生)以及自诱导物-2(AI-2，一种广泛存在于革兰氏阳性菌和阴性菌中的“通用语言”)。
3. 乳酸菌中的群体感应
LAB中检测到的主要自诱导物是AIPs（通过双组分系统调控基因转录）以及AI-2。过去二十年的研究表明，QS调控着乳酸菌的多种代谢和生理活动，如生物膜形成、自溶、细菌素和胞外多糖(EPS)的生物合成以及应激耐受。此外，QS在调节LAB菌株的益生功能中也起着至关重要的作用。
3.1. QS参与细菌素的合成
LAB产生的细菌素是抗菌肽，主要在指数生长期合成。根据分子量、化学结构等，可分为I类（如乳酸链球菌素Nisin，经翻译后修饰）和II类（未经修饰的核糖体合成肽）。它们的合成常由QS机制协调。一个著名的例子是乳酸乳球菌(Lactococcus lactis)中抗菌肽Nisin的合成，其中Nisin本身作为AIP信号分子，诱导包含10多个基因的nis基因簇的表达。这个由组氨酸激酶NisK和反应调节因子NisR构成的双组分调节系统，使得Nisin的产生与细胞密度相关联。
3.2. QS参与：生物膜形成、应激耐受和胞外多糖合成
在乳酸菌中，AI-2信号可作为多物种共培养中相互作用的介质，从而促进增强的生物膜形成，并提高对不利环境因素（包括pH波动、极端温度和抗菌剂）的抵抗力。LuxS/AI-2 QS系统还调控负责产生胞外多糖(EPS)及其他对生物膜稳定性和结构完整性至关重要的大分子的基因表达。例如，删除鼠李糖乳杆菌(Lacticaseibacillus rhamnosus) GG中的luxS基因会显著损害其生物膜形成能力。
3.3. 发酵食品中的QS
发酵食品的质量在很大程度上取决于微生物的代谢过程，而这些过程受到QS机制的严格调控。例如，在植物乳杆菌(Lactiplantibacillus plantarum) L3中，LuxS/AI-2 QS机制与苯乳酸的产生有关，这是一种抑制发酵食品中真菌生长的生物活性化合物。在保加利亚乳杆菌(Lb. delbrueckii subsp. bulgaricus)中，基于AIP-TCS的QS系统参与自溶过程，这有助于改善发酵乳制品的质地和风味。对泡菜、酸面团和发酵香肠的研究也表明，AI-2活性影响着微生物的演替和最终产品的质量。
4. LAB通过AI信号干扰在抑制致病菌中的作用
许多食源性致病菌（如沙门氏菌、单核细胞增生李斯特菌、金黄色葡萄球菌等）的致病性与毒力因子的产生以及受QS调控的生物膜形成有关。因此，抑制这种通讯机制成为降低细菌致病性和生物膜发育的一种有前景的方法，且不影响浮游细胞的生长，从而降低了耐药性发展的风险。
LAB及其代谢产物干扰病原菌QS系统的能力，代表了一种有前景且环保的方法。抑制QS的机制主要有几种策略：(i) 抑制自诱导物的合成；(ii) 破坏释放到细胞外环境中的信号分子；(iii) 阻断信号分子受体。
例如，从泡菜中分离的益生菌清酒乳杆菌(Lat. sakei) NR28，可以通过干扰AI-2信号，降低大肠杆菌O157:H7的致病性（如运动性、生物膜形成和毒力基因表达），而不影响其存活。类似地，从发酵葡萄中分离的魏斯氏菌(Weissella spp.)的代谢提取物能显著减少沙门氏菌生物膜的形成和AI-2活性。最近的研究也表明，食源性LAB衍生的无细胞上清液可以干扰单核细胞增生李斯特菌和金黄色葡萄球菌的AI-2介导的QS并抑制其生物膜形成，其作用可能归因于生物活性环二肽等代谢物。
5. 结论
目前关于乳酸菌中群体感应通讯回路的知识，突显了该机制在这些细菌生理学及其相关生物技术应用中的关键作用。然而，QS是一个高度复杂的现象，现有文献仍存在未解决的问题。迄今为止，LAB中最详细的研究主要集中于细菌素生物合成的调控。不断发展的科学进步正在揭示，QS还调控着除细菌素生产之外的更多生物学功能。整合基因组学、代谢组学和蛋白质组学方法，有望显著扩展当前对QS的认识，并促进其在食品工业等应用领域的开发利用。
