群体感应

在生物学中，群体感应或群体信号 (QS) 是通过基因调控检测和响应细胞群体密度的能力。 例如，QS 使细菌能够将特定基因的表达限制在高细胞密度，在这种密度下，产生的表型将是最有益的。 许多细菌物种根据当地种群密度使用群体感应来协调基因表达。 以类似的方式，一些群居昆虫使用群体感应来确定在哪里筑巢。 致病菌中的群体感知通过限制细菌摄入色氨酸等营养物质，激活宿主免疫信号并延长宿主存活时间，色氨酸会进一步转化为血清素。 因此，群体感应允许宿主和病原菌之间的共生相互作用。 群体感应也可能对癌细胞通讯有用。

除了在生物系统中的功能外，群体感应在计算和机器人技术方面还有一些有用的应用。 一般来说，群体感应可以在任何去中心化系统中充当决策过程，其中的组件具有：（a）一种评估它们与之交互的其他组件数量的方法，以及（b）一旦达到阈值数量的标准响应 组件被检测到。

1970 年，Kenneth Nealson、Terry Platt 和 J. Woodland Hastings 首次报道了群体感应，他们观察到他们所描述的培养基条件，在该培养基中生长了生物发光海洋细菌 Aliivibrio fischeri。 这些细菌在新鲜接种的培养物中不合成荧光素酶，因此不发光，但只有在细菌数量显着增加后才会发光。 因为他们将培养基的这种调节归因于细胞群本身的增长，所以他们将这种现象称为自感应。

一些最著名的群体感应例子来自细菌研究。 细菌使用群体感应来调节某些表型表达，从而协调它们的行为。 一些常见的表型包括生物膜形成、毒力因子表达和运动。 某些细菌能够使用群体感应来调节生物发光、固氮和孢子形成。

群体感应功能基于直接环境中细菌种群的局部密度。 它可以发生在单一细菌物种内，也可以发生在不同物种之间。 革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌都使用群体感应，但它们的机制存在一些主要差异。

对于组成型使用群体感应的细菌，它们必须具备三种能力：信号分子的分泌、自体诱导剂的分泌（检测信号分子浓度的变化）以及基因转录调节作为反应。 这个过程高度依赖于信号分子的扩散机制。 QS 信号分子通常由单个细菌以低水平分泌。 在低细胞密度下，分子可能只是扩散开来。 在高细胞密度下，信号分子的局部浓度可能超过其阈值水平，并引发基因表达的变化。

革兰氏阳性菌使用自诱导肽 (AIP) 作为它们的自诱导剂。

当革兰氏阳性细菌在其环境中检测到高浓度的 AIP 时，AIP 会通过与受体结合以激活激酶来实现。 激酶磷酸化调节基因转录的转录因子。 这称为双组分系统。

另一种可能的机制是 AIP 被转运到胞质溶胶中，并直接与转录因子结合以启动或抑制转录。

革兰氏阴性菌产生 N-酰基高丝氨酸内酯 (AHL) 作为它们的信号分子。 通常 AHL 不需要额外的加工，直接与转录因子结合以调节基因表达。

一些革兰氏阴性菌也可能使用双组分系统。

生物发光细菌 A. fischeri 是xxx个观察到 QS 的生物体。 它以互惠共生体的形式存在于夏威夷短尾乌贼的发光体（或发光器官）中。 当 A. fischeri 细胞自由生活（或浮游）时，自体诱导剂浓度低，因此细胞不显示发光。

然而，当细胞群达到发光体的阈值（约 1011 个细胞/ml）时，荧光素酶的转录被诱导，导致生物发光。在 A. fischeri 中，生物发光受 AHLs（N-酰基-高丝氨酸内酯）调节，AHLs 是一种产物 LuxI 基因的转录受 LuxR 激活剂调节。 LuxR 仅在 AHL 绑定到 LuxR 时才起作用。

弯曲杆菌 是一种革兰氏阴性弯曲杆状细菌。