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6.2: 细菌信号
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6.2: 细菌信号

有时,一群细菌表现得像一个群落。为了达到这一目的,他们进行群体感应,即感知更高的细胞密度,从而导致基因表达的改变。群体感应包括细胞外信号和细胞内信号。信号级联始于一种叫做自诱导(AI)的分子。单个细菌产生的人工智能会离开细菌细胞膜进入细胞外空间。AI可以沿浓度梯度被动地移动出细胞,也可以主动地穿过细菌膜。

AIs的细胞外浓度向细菌发出信号。

当细菌种群中的细胞密度较低时,AIs向远离细菌的方向扩散,使AIs的环境浓度较低。当细菌繁殖并继续排泄AIs时,AIs的浓度增加,最终达到一个临界浓度。这个阈值允许AIs结合细菌上的膜受体,触发整个细菌群落的基因表达变化。

革兰氏染色

许多细菌被广泛地分类为革兰氏阳性或革兰氏阴性。这些术语是指细菌在一个多世纪前被汉斯·克里斯蒂安·约阿希姆·格拉姆发明的一系列染色液处理后所呈现的颜色。如果细菌呈紫色,则为革兰氏阳性;如果细菌呈红色,则为革兰氏阴性。由于细胞壁的化学性质不同,细菌会染上这些颜色。细菌细胞壁的不同组成决定了细菌相互作用的方式和它们所处的环境,并且常常直接参与致病。例如,革兰氏阴性菌的细胞壁主要由脂多糖(也称为内毒素)构成,内毒素会导致患者血液中的脓毒性休克。

革兰阳性菌和革兰阴性菌的群体感应

在革兰氏阳性菌中,群体感应通常分两步进行。首先,当外部浓度足够高时,自身诱导肽 (AIP) AI与膜受体结合。这种结合激活了内部酶,即所谓的磷酸化转录因子的第二信使激酶。然后转录因子调节不同基因的表达。

然而,在许多革兰氏阴性菌的情况下,群体感应发生在一个单步过程中。当AIs的外部浓度达到阈值时,AI穿过膜(通过一个转运体)并重新进入细胞。一旦进入体内,它可能直接与转录因子相互作用来调节基因表达。这种类型的信令不需要中间人或第二信使。人工智能本身就是信使。然而,即使没有第二个信使,细胞内信号也可能很复杂。

在产生光的细菌中发出信号

其中一个例子是革兰氏阴性细菌发光体。它产生自诱导子2(AI-2)作为群体感应信号和细胞内信号。细菌将AI-2释放到环境中。当AI-2达到细菌细胞外的阈值水平时,AI-2与细菌膜上的ATP结合盒(ABC)转运体结合,并被ABC转运体重新内化。然后,一种细胞内激酶LsrK使AI-2自身磷酸化。一旦以这种方式被激活,AI-2本身就可以作为转录因子,激活编码荧光素酶的基因。荧光素酶在催化特定反应时产生光。因此,只有当光弹发光体达到临界密度时,才能看到它们的生物发光。有人认为,这种细菌是造成一些美国内战士兵在希洛战役后伤口蓝绿色发光的原因。

群体信号与植入医疗器械的细菌感染

细菌在医用植入物表面的传播是通过群体信号传递的,可以引起危及生命的感染。大量的研究正在进行中,以找到阻止细菌生物膜在医疗环境中形成的方法。这项研究的大部分集中在开发不适合细菌生长的新材料上。然而,生物化合物,包括某些细菌产生的物质,也正在研究其抑菌性能。


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