編譯：張政

摘要

微生物之間的相互作用通過在微生物和環(huán)境之間建立穩(wěn)態(tài)使微生物能夠得以生存。它們可以利用代謝交換(包括小分子和蛋白質(zhì)分子在內(nèi)的分子轉(zhuǎn)移)對環(huán)境刺激做出響應。而它們之間的相互作用不僅影響微生物自身的生存，而且在微生物和周圍生物的形態(tài)學和發(fā)育過程中也起著重要作用。反過來，這些作用又為所有的生物塑造了完整的棲息地。在這里作者強調(diào)了目前對代謝交換的理解以及出現(xiàn)的新技術，這些能夠幫我們窺探微生物之間的交流，這種微生物之間的對話由數(shù)十種至數(shù)百種控制群落成員的行為、生存和分化的代謝分泌物所組成。

前言

微生物之間的相互作用從人類口腔、腸道、皮膚到黃蜂的蛹再到沙粒，在這個星球上所有的生態(tài)位中無處不在。在平衡狀態(tài)下，許多微生物在穩(wěn)定的混合群落中共存。當這些群落受到干擾時，我們的生態(tài)系統(tǒng)也會受到很大的影響，從而導致對我們社會有嚴重影響的災難性事件的發(fā)生。此外，真菌和細菌產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物在現(xiàn)代醫(yī)療保健、農(nóng)業(yè)和其他商業(yè)活動等領域發(fā)揮重要作用。例如，青霉素和萬古霉素有助于調(diào)控微生物感染，雷帕霉素作為免疫抑制劑在器官移植以及紫杉醇在許多癌癥治療中都發(fā)揮重要作用。當我們討論微生物產(chǎn)生的代謝物時，通常只會考慮這些對我們生活質(zhì)量的影響，而往往會忽略這些代謝物對復雜的微生物相互作用的影響，而這些相互作用才是代謝物產(chǎn)生的最根本的原因。對微生物本身來說，微生物之間的相互作用為它們提供了從外部群落獲得營養(yǎng)和保護的途徑，并使其能夠適應不斷變化的生態(tài)位。

圖1，微生物之間相互作用的物質(zhì)基礎 

細菌為微生物間相互作用研究提供了大量的資源。細菌基因組中用于產(chǎn)生次級代謝產(chǎn)物的比例達到了5-15 %。但是令人驚訝的是，雖然細菌間相互作用對單個細菌和整個細菌群落的生存和適應具有重要意義，但是與細菌相互作用相關的開放閱讀框架(ORFs)的總數(shù)尚未確定。據(jù)分析，17-42%預測的ORFs與微生物相互作用有關。NCBI數(shù)據(jù)庫中存在的錯誤注釋會限制我們明確每一個ORF的功能（圖2）。例如，銅綠假單胞菌（P. aeruginosa）的某些ORFs被認參與孢子的形成，但是我們知道銅綠假單胞菌是無法形成孢子的，所以這些功能注釋是沒有根據(jù)的，因此在我們的分析中對這種情況進行了糾正。這一分析技術雖然還處在初級階段，但是表明這些微生物的蛋白組學中有很大一部分具有參與建立它們之間的相互作用的能力。

圖2，預測用于微生物相互作用的ORFs所占的比例

根據(jù)這個觀點，微生物間的代謝交換成為研究它們之間代謝的一個重要方面。在這其中要突出強調(diào)所涉及的代謝物化學和功能的多樣性，以及它們在微生物群落的細胞分化和維持生態(tài)平衡中起的重要作用。同時新工具的出現(xiàn)讓我們能夠從空間層面和系統(tǒng)途徑方面來研究微生物的相互作用。

群體感應(Quorum-sensing)因子是目前研究最為深入的代謝交換因子。群感因子的結(jié)構(gòu)是豐富多樣的(圖3)，根據(jù)所涉及分子的不同，微生物群落的群感效應具有很大差異，并且可能受到周圍微生物和pH、溫度、營養(yǎng)成分等非生物因素的影響。群體感應控制細胞分化等發(fā)育過程，并且反過來影響其他微生物行為。

圖3，群感因子的化學多樣性

群感效應通常在獨立分子層面而不是在多因素代謝交換背景下進行研究。例如，在病原體金黃色葡萄球菌中，群體感應涉及編碼群體感應自誘導肽的自誘導系統(tǒng)位點agr(附屬基因調(diào)節(jié)子)。這種群體感應系統(tǒng)被認為可以至少調(diào)節(jié)23種分泌因子，包括δ-毒素，α-溶血素以及其他毒素和蛋白酶類，這些影響了臨近微生物和宿主之間相互作用。

微生物能夠產(chǎn)生大量的結(jié)構(gòu)上多樣的代謝交換因子，這對建立由一種或多種物種組成的群落至關重要(圖4)。營養(yǎng)因素是塑造微生物群落最主要的驅(qū)動力。最近報道強調(diào)了互利共生的重要性，表明一個物種的可擴散代謝交換因子可以對另外一個物種起到促進作用。比如說分離得到的某些海洋細菌只有在其他生物體產(chǎn)生的“輔助”分子存在的情況下才會生長。對于多分子信號響應系統(tǒng)的研究是一個很有吸引力的方向，但是多重信號在研究中常常被忽略，而且參與群體感應的代謝物和參與其他信號傳遞作用的代謝物之間的界限并不清晰。

圖4，代謝交換因子的化學多樣性

總的來說，我們對包括抗生素在內(nèi)的代謝交換因子在群落中的作用知之甚少?？股乇徽J為是微生物之間競爭的媒介，同時也具有群體感應信號的作用，又或是具有幫助建立和穩(wěn)定微生物群落的功能。對于抗生素是否能夠在自然微生物環(huán)境中殺死競爭者的了解還不夠完善。例如，高濃度的托布霉素、環(huán)丙沙星和四環(huán)素能夠?qū)е裸~綠假單胞菌的死亡，但是這些抗生素在亞抑菌濃度時又促進了與生物膜形成有關基因的轉(zhuǎn)錄。

微生物群落中代謝因子對細胞行為的影響在群落水平(圖5a)和細胞水平(圖5b)隨處可見。作者推測代謝交換的主要功能是在時間和空間上調(diào)控菌落中的細胞分化，并根據(jù)臨近物種和環(huán)境條件的變化進行必要的調(diào)節(jié)。

圖5，枯草芽孢桿菌在細胞和群落水平上的細胞分化

了解代謝交換在微生物群落分化和混合群落形成中的作用，將有助于提高治愈或者預防疾病的能力。這將促進人們對生物膜形成的認識，以及有助于尋找減少結(jié)核病等感染中潛伏細胞數(shù)量的方法。此外通過理解和控制微生物的多細胞行為，我們能夠提高微生物在商業(yè)中的應用，比如說通過增加細胞數(shù)量從而大量生產(chǎn)抗生素。

代謝交換不僅是未來生物領域經(jīng)濟發(fā)展的驅(qū)動力，也是生態(tài)系統(tǒng)的驅(qū)動力。在上世紀80年代(圖 6a)，就已經(jīng)對微生物代謝交換在海洋生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮的作用進行了相關研究。到目前為止，對于多樣性豐富的微生物共生體利用代謝交換維持海洋生物群落平衡具有了清晰的認識。

這種海洋環(huán)境中豐富的代謝交換和共生多樣性同樣反映在陸地生態(tài)系統(tǒng)中。最近就發(fā)現(xiàn)了與切葉蟻生命周期相關的微生物群落(圖6b)。微生物代謝交換除了維持外部環(huán)境以外，同樣在人體微生態(tài)中發(fā)揮重要作用。人體內(nèi)的微生物能夠保護人類免受感染，降解未利用的底物，培育免疫系統(tǒng)和生產(chǎn)維生素。微生物和它們的代謝交換因子在人類生活中無處不在，僅口腔中就有約500種不同細菌的存在。要想充分了解這些群落，就要明確識別起決定作用的分子，了解所代表的含義并對它們的結(jié)構(gòu)層次有所認識。

圖6，微生物代謝交換的生態(tài)學作用

青霉素是真菌和金黃色葡萄球菌相互作用的結(jié)果，它的發(fā)現(xiàn)引起了人們對研究單一微生物代謝交換因子在醫(yī)學上應用的熱情。然而對多細胞群落中多因素影響的研究還很少。要想了解所有參與微生物代謝交換的微生物和代謝物具有很大的挑戰(zhàn)。復雜的微生物群落，例如人類腸道、牙菌斑和植物根際微生物群落中包含成百上千種不同的微生物。根據(jù)現(xiàn)有基因序列，我們估計這些復雜群落中的每一種微生物都具有能夠至少產(chǎn)生10種不同分子的能力，而這些又能影響臨近微生物的行為。因此，群落中的代謝交換可能涉及了數(shù)千種不同的分子，這對研究它們?nèi)绾斡绊懳⑸镄袨樵斐闪藰O大的困難。由于缺乏研究代謝因子在微生物相互作用中發(fā)揮什么樣作用的工具，從而使得我們認識和驗證這些作用以及識別其他相關因素的能力受到了很大的限制。

揭示微生物之間相互作用所存在的挑戰(zhàn)，在加上微生物代謝交換在生態(tài)學和醫(yī)學領域發(fā)揮的重要作用，這些都極大的促進了各種先進科學技術在研究微生物與微生物之間和微生物與宿主之間相互作用中的應用。要想成功研究微生物代謝交換就需要分子生物學、遺傳學、系統(tǒng)生物學和生物化學等傳統(tǒng)微生物學手段與新興技術相結(jié)合的方法(表1)。要想真正的了解微生物群落代謝交換的復雜性，就需要開發(fā)相應的工具來識別具體的微生物參與者，了解其整體的代謝狀態(tài)，表征與這些狀態(tài)和環(huán)境相關的代謝輸出，并將不同的實驗結(jié)果進行匯總研究。

表1，研究微生物相互作用和群落的方法

研究微生物代謝交換的第一步是明確微生物群落中的成員，這一步雖然可以通過生理生化實驗、顯微鏡觀察、16S和18S測序等傳統(tǒng)方法實現(xiàn)，但是這些方法普遍存在低效、高成本以及適用范圍窄的缺點，在這種情況下，熒光原位雜交技術(FISH)應運而生，它可以幫助我們快速識別微生物群落中的個體。

理解微生物相互作用的另一個途徑就是識別和表征在特定的相互作用中所涉及的代謝交換因子。在對細胞產(chǎn)物分離純化的過程中，基因組測序和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預測可以彌補高效液相色譜(HPLC)、質(zhì)譜法(MS)、核磁共振(NMR)和X射線衍射等傳統(tǒng)方法的不足，從而極大的促進對生物合成基因的鑒定和編碼產(chǎn)物生化活性的預測。目前還有許多新興技術可以用于識別參與代謝交換的基因簇，antiSMASH就是其中的代表，它作為一個綜合性數(shù)據(jù)庫能夠鑒別、注釋和分析微生物次級代謝物合成基因組簇。但是到目前為止，這一領域發(fā)展還不夠成熟。同時前文中提到的IMS、NMR和微流體技術都在微生物代謝交換的研究中都已經(jīng)有大范圍的應用。

圖7，MALDI-IMS將化學型和表型聯(lián)系在一起，可用于代謝交換因子空間分布的可視化

盡管進行相關研究的工具和方法已經(jīng)有所發(fā)展，但是仍然不能滿足科研的需要。在以后的研究中，我們要將不同細胞、組織和環(huán)境中的代謝物信息與基因組特征構(gòu)建聯(lián)系，而要想完成這些將需要大量的技術革新。

目前對微生物代謝相互作用的研究被簡化成對單個分子或者對單一作用的研究，但是未來可能需要研究自然條件下的多重相互作用，因此下一個前沿目標就是開發(fā)能夠?qū)碗s環(huán)境條件和群落中的基因型、化學型和表型聯(lián)系起來的工具。為了實現(xiàn)這一目標，需要對現(xiàn)有的儀器進行創(chuàng)新，并且整合迄今為止微生物學領域不同的方法和知識。將化學物質(zhì)與負責代謝物質(zhì)合成和細胞反應的基因聯(lián)系起來，并且明確在產(chǎn)生特定代謝產(chǎn)物的群落內(nèi)單個細胞的發(fā)育狀態(tài)，這對我們理解自然界微生物相互作用至關重要。

我們已經(jīng)了解到代謝交換因子在微生物群落中起到指示性作用，它們是形態(tài)和發(fā)育過程以及單個微生物的生存和整個微生物群落的適應所必需的。通常對微生物之間聯(lián)系的研究往往只集中于某一個信號或者是某幾個分子。實際上微生物的相互作用需要眾多不同的分子，每次只研究某一個分子是無法滿足科研需要的。隨著技術的進步，我們現(xiàn)在能夠聆聽由幾種不同分子組成的微生物之間的對話，從而加深對微生物代謝交換的研究。在未來的研究中，我們必須要了解具體形成了哪些分子以及它們之間是如何協(xié)同作用的，并且要繼續(xù)開發(fā)研究代謝交換的工具。

小結(jié)

微生物間的相互作用不僅與微生物自身和微生物的宿主以及周圍環(huán)境之間具有密不可分的聯(lián)系，而且對生態(tài)系統(tǒng)和人類活動同樣具有不可忽視的重要作用。對微生物代謝交換的研究不僅要明確單分子發(fā)揮的作用，未來同樣需要對與代謝相關的大量分子的共同作用進行深入研究。對于代謝因子的研究需要我們在完善原有科技的基礎上發(fā)展新的技術，同時要對相應的儀器設備和數(shù)據(jù)庫進行大量的更新，只有這樣才能在未來對多分子和復雜環(huán)境下的代謝交換開展更加深入的研究。

參考文獻：

VanessaV phelan, Wei-Ting Liu, et al. Microbial metabolic exchange—thechemotype-to-phenotype link. Nature chemical biology, 2012.