微生物群体感应抑制剂及其在海洋生态中的应用

微生物具有结构多样性和功能多样性,其生态行为受多种信号因子的调节,其一便是群体感应信号(Quorum sensing,QS)。QS可作为菌群的通讯语言调节多种生物学功能,包括微生物被膜(Biofilm)的形成、毒力因子的表达、抗生素的分泌以及活性物质的生成等。相比之下,群体感应抑制剂(Quorum sensing inhibitor,QSI)的作用与QS相反,它能阻断QS信号的合成或传递、降低细菌致病性、干扰Biofilm的生成、阻断QS级联效应,因而被广泛应用于医药、农业和环境等领域。本文聚焦QSI,对其来源、特性、作用机制的最新进展进行总结,并对其在海洋生态领域上的应用进行综述,以期为QSI物质的开发和海洋生态资源的有效利用提供新思路。     

Biofilm与c-di-GMP专刊序言——微生物的社会性、c-di-GMP调控及研究新技术

生物被膜(Biofilm)是微生物生存的主要形式。它是一种或多种微生物通过胞外多糖、胞外DNA、蛋白质等组成的基质聚集在一起形成的细胞多聚体。生物被膜中的微生物细胞之间存在密切的信号通讯,并且表现出与浮游生活时完全不同的生理代谢特征,其发育过程受到环二鸟苷单磷酸(c-di-GMP)等细胞第二信使的控制。由于生物被膜在基础生命科学和医疗、工业、农业、环境治理等应用科学中的重要性,相关研究是微生物学领域的前沿之一。本期专刊从生物工程、研究技术、感染与免疫、环境生物学和植物病理学等角度,较系统地对生物被膜的形成机制、调控分子机理、理化特性和应用技术等进行了综述或研究,展示了我国在本领域的研究水平,同时也对本领域未来发展趋势进行了有益的讨论。     

细菌生物被膜分散及分子调控机制研究进展

生物被膜分散(Biofilm Dispersal)是生物被膜发展后期细菌响应营养物、低浓度的一氧化氮、D-氨基酸、自诱导肽(Autoinducing Peptide,AIP)、酰基高丝氨酸内酯(Acyl Homoserine Lactones,AHL)、腺苷三磷酸(Adenosine Triphosphate,ATP)等信号变化而做出的一种程序性反应,有利于细菌从恶劣的生物被膜内部环境中脱离出来寻找新的定殖位点。此外,由生物被膜引起的细菌短暂的抗生素耐受性在分散过程中会恢复正常水平,这有助于治疗由致病菌引起的难治愈的生物被膜相关疾病。目前生物被膜分散的相关研究正处于起步阶段,本文希望通过综述生物被膜分散现象、信号分子及调控机制,可以更好地了解细菌生物被膜分散对于防控病原微生物和应用有益微生物的重要意义。     

生物被膜在病原细菌与植物识别中的作用

生物被膜是微生物附着在生物或非生物表面所形成的一种三维结构,细胞被其自身所产生的胞外聚合物所包围,生物被膜的形成被认为是微生物应对生物和非生物胁迫时所产生的一种自我防御机制。众多微生物能够在植物叶、维管束和根等组织中生长,并在植物不同组织表面附着形成生物被膜,病原细菌的生物被膜随植物内部环境动态变化是其有效发挥致病作用的关键,研究植物病原细菌生物被膜调控机制是认识植物-病原菌互作的重要方面。文中将系统地介绍植物病原细菌生物被膜特征、组成成分、分子调控机制及最新研究进展。     

细菌生物被膜的耐药机制及控制策略

在特定的条件下,细菌可以形成生物被膜,包被有生物被膜的细菌称为被膜菌.被膜菌无论其形态结构、生理生化特性、致病性还是对环境因子的敏感性等都与浮游细菌有显著的不同,尤其对抗生素和宿主免疫系统具有很强的抵抗力,从而导致严重的临床问题,引起许多慢性和难治性感染疾病的反复发作.细菌生物被膜粘附在各种医疗器械及导管上极难清除,以至引发大量的医源性感染.近年来,随着人们对细菌致病机制认识的逐步深入,控制细菌生物被膜的方法已有较大发展.本文拟探讨被膜菌的耐药机制并着重综述细菌生物被膜控制方法的最新研究进展.     

海洋污损的微生物学过程与机制研究进展

海洋生物污损主要由微生物腐蚀(MIC)与生物淤积(MBF)造成。细菌的附着及生物被膜的形成在微观尺度为微生物腐蚀提供了环境条件,而生物淤积则从宏观层面加速了污损的进程。近年来,海洋生物污损在全球范围内造成了巨大的经济损失,各类抗污损的方法也相继开发。微生物行为在污损的形成中扮演着重要角色,包括细菌在基质上的定殖,微生物被膜的产生,微生物结构的组装以及氧化还原性质的改变等。本文中,笔者聚焦海洋污损的微生物学机制,对生物污损的发生条件、影响因素、形成机制、群体感应调节特征进行了总结,并对防控方法进行了归纳,以期从生态学层面深入认识海洋污损的动力学过程,并为开发新型环保型防污材料提供借鉴思路。     

白念珠菌生物被膜形成的遗传调控机制

白念珠菌是人体重要的条件性致病真菌。形态的多样性和可塑性是白念珠菌典型的生物学特征,这与它的致病性、宿主适应能力以及有性生殖过程密切相关。白念珠菌生物被膜(Biofilm)是由不同形态细胞(包括酵母型、菌丝和假菌丝)以及胞外基质组成的致密结构,也是毒性和耐药性形成的重要因子。生物被膜对抗真菌药物、宿主免疫系统和环境胁迫因子等都表现出较强的抵抗力和耐受性,是临床上病原真菌感染防治的重大挑战。随着基因表达谱和遗传操作技术的发展,白念珠菌生物被膜的形成及其耐药性的获得所依赖的遗传调控通路和分子调控机制越来越清楚。主要包括MAPK和cAMP介导的信号途径以及Bcr1和Tec1等因子介导的转录调控。此外,白念珠菌生物被膜的形成与形态转换和有性生殖之间存在密切的联系。文中综述了白念珠菌生物被膜形成的遗传调控机制,重点介绍了细胞壁相关蛋白、转录因子和交配型对该过程的调控以及生物被膜的耐药机制。     

隐藏嗜酸菌Acidiphilium cryptum的研究进展

分离自酸性矿坑水的隐藏嗜酸菌Acidiphilium cryptum具有化能兼养型细菌的典型特征,在缺乏有机质的环境中能启用体内硫氧化代谢途径营化能自养,进行硫化矿物的分解;而在有机质存在时该菌营异养生长,并在体内合成聚β羟基丁酸酯(polyhydroxybutyrate,PHB),此外在酸性条件下对Fe(III)和Cr(VI)等金属离子具有还原作用,并具有发展微生物燃料电池的潜力.该菌因其独特的生理特性及在浸矿微生物群落中的显著生态地位而在生物冶金、环境修复、生物材料等领域具有重要的经济和社会意义.对隐藏嗜酸菌的生物学特性、分离培养方法、重要特性的研究进展以及应用等方面的国内外研究现状进行综述,并对其应用前景和研究趋势进行展望.     

鱼腥草素钠与红霉素抗铜绿假单胞菌生物被膜的协同作用

目的研究鱼腥草素钠与红霉素抗铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa,PA)生物被膜(Biofilm,BF)的协同作用。方法采用微量倍比稀释法测定鱼腥草素钠、红霉素对铜绿假单胞菌最低抑菌浓度(MIC),MTT法测定鱼腥草素钠、红霉素及两药联合抗铜绿假单胞菌的最小抑膜浓度SMIC(SMIC50和SMIC80),光学显微镜及扫描电镜下观测鱼腥草素钠抗铜绿假单胞菌生物被膜的动态过程。结果鱼腥草素钠和红霉素抗铜绿假单胞菌的MIC分别为512 mg/L和256 mg/L。红霉素对铜绿假单胞菌生物被膜SMIC50黏附期为64 mg/L,早期生物被膜阶段为64 mg/L,成熟期生物被膜阶段为128 mg/L,两药联合后铜绿假单胞菌生物被膜SMIC50黏附期为16 mg/L,早期为16 mg/L,成熟期为32 mg/L。红霉素对铜绿假单胞菌生物被膜SMIC80黏附期为128 mg/L,早期生物被膜阶段为128 mg/L,成熟期生物被膜阶段为256mg/L,两药联合后铜绿假单胞菌生物被膜SMIC80黏附期为64 mg/L,早期为64 mg/L,成熟期为128 mg/L。结论鱼腥草素钠联合红霉素抗铜绿假单胞菌生物被膜具有协同作用。     

细菌形成“生物被膜”还是“生物膜”?

“Biofilm”是指黏附于非生物或生物表面后,细菌通过分泌的胞外聚合物(extracellular polymeric substances, EPS)将自身包裹其中而形成的细菌聚集体膜状物。“Biofilm”的形成主要包括黏附、定殖、发育、成熟与主动消散5个阶段。“Biofilm”是具有复杂结构与多重功能的“动态细菌组织”,因此在相对稳定微环境中的细菌具有更强的抗逆性,从而导致病原菌更难去除,而益生菌则更易在宿主体内存活与定殖。目前,对于“biofilm”的中文翻译存在“生物被膜”和“生物膜”两种名词混用的现象,少有文献对此深入讨论,并明确指出哪种翻译更为准确。基于此,本文对“biofilm”的形成过程、生理功能和使用现状进行了分析与讨论,并认为“biofilm”翻译为“生物被膜”更为严谨、准确。     

铜绿假单胞菌铁摄取与生物被膜形成研究进展

生物被膜是单细胞微生物通过其分泌的胞外多聚基质粘附于介质表面并将其自身包绕其中而成的膜样微生物细胞聚集物。生物被膜的形成使细菌具有更强的适应外界环境的能力,也是导致微生物产生耐药性及慢性感染性疾病难以治疗的重要原因之一。铜绿假单胞菌在肺部的定殖是肺囊性纤维化病患者发病和死亡主要原因,其造成的感染通常与形成抗生素抗性极强的生物被膜有关。铜绿假单胞菌生物被膜的形成受控于多种复杂的细菌调控体系之下,包括群体感应系统及参与调节胞外多聚基质合成的双组分调控系统等。此外,为了利用低浓度的环境铁来维持生存并完成各种生理功能,铜绿假单胞菌进化出了一系列铁摄取系统,这些系统对其毒力因子的释放和生物被膜的形成又起着重要的调控作用。本文主要对铜绿假单胞菌生物被膜的形成与调控机制及其铁摄取系统进行了综述,为进一步了解及清除铜绿假单胞菌引发的问题提供途径与思路。     

奥奈达希瓦氏菌电活性生物被膜的研究进展

面对日益严峻的能源紧缺与环境污染形势,电活性微生物(electroactive microorganisms)的电催化过程为实现绿色生产提供了新的思路。奥奈达希瓦氏菌具有独特的呼吸方式和电子传递能力,在微生物燃料电池、增值化学品的生物电合成、金属废物处理和环境修复系统等领域有着广泛的应用。奥奈达希瓦氏菌(Shewanella oneidensis MR-1)电活性生物被膜是实现电活性微生物电子传递过程的优良载体,其形成过程十分复杂且受到多种因素的影响和调控,在增强细菌环境抗逆性、提高电子传递效率等多方面发挥着十分重要的作用。本文较为系统地综述了奥奈达希瓦氏菌生物被膜的形成过程、影响因素及其在生物能源、生物修复和生物传感中的相关应用,为进一步实现其在更多领域的应用提供了理论基础。     

噬菌蛭弧菌生物特性研究进展

本文介绍了噬菌蛭弧菌的培养特性,温度对噬菌蛭弧菌的影响,噬菌蛭弧菌的生化特征,感染宿主的机制,在死的宿主菌中生长的特性,宿主的特异性以及噬菌蛭弧菌对致病菌的生物净化作用等生物特性的研究进展。研究认为,噬菌蛭弧菌是自然环境(水、土壤)中致病微生物的生物拮抗体,且极有可能利用它的寄生和溶解宿主菌细胞的特殊性,对环境水体的生物净化。     

深海微生物多样性

海洋面积约占地球总面积的70％,平均深度3,800 m,海底平均压力38 MPa,海水以下更是包含有物理化学性质迥异的多种地质结构,例如海洋沉积物、洋壳、热液口以及冷泉等.这些性质迥异的地质结构环境造就了丰富的生物多样性,构成了地球上最大的微生物生态系统.深海海水中最主要的微生物类群是α-,γ-变形菌(Alpha-&Gammaproteobacteria),以及海洋古菌群I(Marine Group I).深海沉积物中微生物含量与有机物含量和距离大陆板块的距离相关,以异养微生物为主.深海冷泉区富集了厌氧甲烷氧化古菌ANME和硫酸盐还原菌(Deltaproteobacteria);深海热液区由于具有化学物质的多样性和快速的动态变化而导致形成微生物的高度多样性.洋壳主要由基性、超基性岩构成,含有丰富的矿物,其中不乏参与铁、锰、硫等关键代谢反应的化能自养微生物.同时,由于环境中99％以上的微生物没有已培养的亲缘种,因此对深海微生物的多样性、生理功能特性以及生物地球化学作用的理解和研究仍然存在巨大的挑战.本文将尝试从不同的深海环境分区来综述深海海水、沉积物、洋壳,以及冷泉区和热液口等特殊生态环境中微生物的分布和多样性.     

毒力基因调控蛋白PrfA促进单核细胞增生李斯特菌生物被膜的形成

单核细胞增生李斯特菌(Listeria monocytogenes,LM)是重要的革兰氏阳性食源性致病菌,易在食品以及各种食品加工、运输和保藏设备的接触面形成生物被膜,从而具有更强的抗逆性而难以彻底清除,因此成为食品卫生安全的重要隐患.PrfA是LM毒力基因转录表达的重要调控因子,通过比较研究LM野生株(EGD和EGDe)、PrfA缺失株(EGDAprfA和EGDeAprfA)、无害李斯特菌(Listeria innocua,LI),携带组成性表达PrfA蛋白的重组无害李斯特菌(LI-pERL3-prfA*)以及重组单核细胞增生李斯特菌(EGDeΔprfA-pERL3-prfA*)生物被膜形成能力的差异,探讨LM重要的毒力调控蛋白PrfA对生物被膜形成的影响.实验结果显示:LM野生株具有较强的生物被膜形成能力,而LI形成生物被膜的能力最弱;PrfA的缺失能降低LM生物被膜的形成能力;组成性高量表达PrfA蛋白可以回复EGDeΔprfA的生物被膜形成能力,但对LI没有增强作用.以上实验结果表明:PrfA在LM生物被膜形成中具有重要的促进作用.     

葡萄糖对表皮葡萄球菌生物被膜形成的影响及调节机制的研究

生物被膜(Biofilm)是条件致病菌表皮葡萄球菌(Staphylococcusepidermidis)的主要致病因素,生物被膜的形成依赖多糖PIA合成,合成PIA的糖基转移酶由icaADBC基因编码。以生物被膜形成能力不同的菌株为对象,通过研究不同环境对生物被膜形成、细菌总糖量及相关基因表达的变化,探索外界环境对生物被膜形成的影响及葡萄糖对生物被膜诱导的分子机制。有利于生物被膜形成培养条件促进生物被膜形成及多糖的表达,葡萄糖能诱导ica基因的表达和生物被膜形成,ica基因的反义寡核苷酸(ODN)能对抗葡萄糖的作用;葡萄糖作用下不同生长周期生物被膜形成相关基因ica、icaR、AtlE表达不同。表皮葡萄球菌生物被膜的形成与细菌糖代谢有关,葡萄糖通过上调ica表达诱导生物膜形成,但不需要ica基因的持续表达;葡萄糖的诱导作用不是直接通过调节AtlE和icaR基因来实现的     

合成生物学改造微生物及生物被膜用于重金属污染检测与修复

随着工业化进程不断加快,重金属污染日益加剧,尤其是水体的重金属污染,已严重威胁人类健康,迫切需要进行有效的污染修复。相比传统物理和化学修复,生物修复具有绿色环保和可持续性的特点。因为微生物生长繁殖迅速、生物被膜具有动态可调节和环境适应性好等特点,使其能更好耐受胁迫环境,在环境修复中有重要作用。合成生物学改造微生物及生物被膜用于环境污染生物修复近年兴起,成为未来重要的发展方向。主要概述了重金属污染的微生物修复机理和方法,结合可编程微生物被膜的最新研究成果,重点介绍了合成生物学改造微生物及生物被膜的分类与功能应用,以及在重金属铅、汞和镉等污染修复中的研究进展,讨论了重金属污染生物修复的发展方向。     

生物被膜：益生菌肠道定植的新策略

益生菌可改善机体微生态平衡,在促进营养吸收、控制肠道感染和调节免疫功能等方面具有特殊的功效,但存在胃肠道环境难定植、口服生物利用度低等问题。生物被膜是多个细菌黏附于非生物或生物表面,分泌胞外聚合物(extracellular polymeric substances),并将自身包裹其中形成的一种有组织的细菌集团,包含胞外多糖(exopolysaccharides,EPS)、蛋白质、胞外DNA (extracellular deoxyribonucleic acid,eDNA)和脂质等多种组成成分,是一个具有三维立体空间结构的聚集体。被膜状态的益生菌较浮游菌在抗逆性、对抗病原菌和调节免疫功能等方面具有明显优势,这些特点为新型益生菌的开发提供了新的研究思路。本文阐述了被膜状态益生菌的优势,重点介绍了促进益生菌生物被膜形成的活性物及其形成机制,简述了益生菌生物被膜的安全性问题。当前,益生菌生物被膜的研究尚处于起步阶段,希望本文能为该领域未来的研究提供参考。     

油藏微生物及其压力适应机制

目前我国油田开发主要处于高含水后期,微生物驱提高石油采收率技术(MEOR)以低成本、环境友好等独特的优势引起了石油工业界的重视。实际上,经过半个多世纪的发展,MEOR已经成为提高采收率的重要前沿技术。高压是油藏的主要环境特征,在影响油藏微生物生存与活性等方面具有重要作用。本文从油藏及其微生物的主要特征、微生物对高压环境的适应机制以及高压下微生物降解烃的代谢特征等方面进行了综述。介绍了对油藏微生物资源、群落结构、微生物在油水相中分布的认识,微生物乳化原油机制,以及微生物在油藏厌氧环境中协同代谢、受温度和压力影响的特点,并列举了MEOR的矿场应用。在高压适应机制上,微生物主要通过改变和调整细胞膜结构、增加胞内脂质组分和表达胞内特殊酶等作用来实现对压力的适应;在高压下烃降解微生物代谢速率低于常压,而且耐压菌和嗜压菌具有不同的烃降解效率。     

基于COMSTAT软件对微生物被膜进行定量分析的方法与意义

目的:微生物被膜是一种具有协调性、功能性和高度结构性的膜状复合物,它可以为微生物提供良好的生存环境,免受外界因素的干扰。研究发现,具有产生微生物被膜能力的细菌治病性明显增强,而现今缺乏一种分析微生物被膜的有效手段。本文探讨利用COMSTAT软件对微生物被膜进行定量分析的方法和意义,为对微生物被膜定性定量分析提供支持手段,从而为研究微生物被膜致病性提供方法理论基础。方法:以葡萄球菌为研究模型,利用激光扫描共聚焦显微镜成像技术,结合COMSTAT微生物被膜分析软件对微生物被膜的单位面积生物量、基质覆盖率、平均厚度、粗糙系数等方面进行定量分析,研究了该葡萄球菌的生物被膜生长变化过程,并考察了抗生素对其生物被膜的抑制作用。结果:在葡萄球菌生物被膜生长过程中,生物量、平均厚度以及平均扩散距离等结构指标数值都有明显增加,而粗糙度和表面积与生物量比值呈现降低趋势,表明了微生物被膜由发生向成熟的转化过程。与此同时,经10μg/mL和100μg/mL的卡那霉素处理得到的葡萄球菌微生物被膜生长受到明显抑制,且随着卡那霉素的浓度增加,抑制效果随之增加。结论:本文运用COMSTAT软件的分析方法首次从生物量、平均厚度等结构指标数值的角度描述了葡萄球菌生物被膜,从而有效评价微生物被膜发生、发展、成熟以及崩解的生长过程。该技术在研究微生物被膜形成的理论机制方面存在潜在价值,可以为研究微生物被膜治病性提供理论基础,具有理论指导意义。