《AHL介导的群体感应调控细菌物质与能量代谢：研究综述》学术报告
作者及机构信息
本文通讯作者为贵州大学酿酒与食品工程学院的曾祥勇教授（Xiangyong Zeng），合作作者包括贵州大学刘兰兰（Lanlan Liu）、郑佳（Jia Zheng）等，以及中国轻工业固态发酵重点实验室（宜宾）的科研人员。该综述发表于Elsevier旗下期刊《Microbiological Research》2022年第262卷。
研究背景与主题
本文是一篇系统性综述，聚焦于N-酰基高丝氨酸内酯（Acyl-Homoserine Lactones, AHLs）介导的细菌群体感应（Quorum Sensing, QS）如何调控物质代谢（碳、氮、硫循环）与能量代谢。AHLs作为革兰氏阴性菌典型的QS信号分子，通过调控基因表达影响微生物生理活动。研究旨在整合近年进展，阐明AHL-QS在代谢调控中的作用机制，并为环境修复、工业发酵及疾病防治提供理论支持。
核心观点与论据
1. AHLs的化学结构与QS系统机制
- 分子特性：AHLs由亲水的高丝氨酸内酯环和疏水酰基侧链构成，根据侧链长度分为短链（C4-C8）和长链（C10-C18）。短链AHLs通过自由扩散跨膜，长链则依赖主动运输。
- 调控机制：典型AHL-QS系统由合成酶LuxI和受体蛋白LuxR组成。当AHLs浓度达到阈值时，LuxR/AHL复合物激活下游基因表达（图2）。部分细菌仅含LuxR同源蛋白（如LuxR Solo），可感知外来AHLs，实现种间通讯。
- 证据支持：
- 实验表明，不同微生物（如铜绿假单胞菌Pseudomonas aeruginosa、伯克霍尔德菌Burkholderia glumae）的LuxI/R同源系统（如LasI/R、TofI/R）具有相似调控模式（表1）。
- 色谱与质谱联用技术（如HPLC-MS）证实了AHLs的多样性与环境依赖性（如pH、C/N比影响其组成）。
2. AHL-QS对碳代谢的调控
- 糖摄取：
- 促进作用：如葡萄糖酸杆菌Gluconacetobacter xylinus中，LuxR过表达加速葡萄糖消耗。
- 抑制作用：B. glumae在营养匮乏时通过AHL-QS下调磷酸转移酶系统（PTS）基因ptsi，抑制葡萄糖摄取。
- 证据：转录组分析显示，B. glumae的tofi突变体中ptsi表达恢复，添加C8-HSL后恢复野生型表型。
- EMP途径与TCA循环：
- AHLs通过调控磷酸果糖激酶（PFK）等关键酶活性影响糖酵解。例如，Hafnia alvei H4的luxI/r缺失突变体上调EMP途径基因。
- 双向调节：铜绿假单胞菌中，AHLs促进琥珀酸脱氢酶表达，而QS抑制剂胡黄连素（hordenine）则抑制该酶活性，导致TCA中间体减少。
- 核苷酸代谢：
- AHLs负调控嘌呤/嘧啶合成。如H. alvei H4的luxI/r突变体上调5-磷酸核糖-1-焦磷酸（PRPP）合成基因，促进核酸前体积累。
3. AHL-QS在氮代谢中的作用
- 厌氧氨氧化（Anammox）：
- 外源添加C6-HSL或C8-HSL可缩短Anammox反应器启动时间，提高脱氮效率。机制上，AHLs通过激活NAD和溶血磷脂酰胆碱（LysoPC）合成，增强细菌聚集（图4）。
- 证据：代谢组学显示，AHLs处理组的Anammox菌群中EPS（胞外聚合物）产量增加，与反应器稳定性正相关。
- 硝化-反硝化：
- 移动床生物膜反应器中，C8-HSL与生物膜形成正相关，而C6-HSL在低温下促进硝化菌富集。
4. 硫代谢与能量代谢调控
- 硫氧化：嗜酸硫氧化菌Acidithiobacillus ferrooxidans通过AfeI/R系统产生长链AHLs（如3-OH-C14-HSL），上调硫氧化基因（如doxDA），促进生物浸出效率。
- 能量代谢：
- B. glumae中，AHLs通过转录因子QsmR抑制底物水平磷酸化（如pgk、pyk基因）和氧化磷酸化（如nuoB、atpE基因），调控ATP合成。
- 多组学分析揭示，AHLs可通过调节电子传递链（如琥珀酸脱氢酶）影响能量流动。
研究价值与创新点
- 系统性整合：首次全面总结了AHL-QS在细菌物质与能量代谢中的调控网络，涵盖碳、氮、硫循环及能量转换。
- 应用潜力：
- 环境领域：优化废水处理（如Anammox工艺启动）、生物浸出（硫氧化调控）。
- 工业发酵：通过动态调控AHL-QS（如PFK开关）定向合成目标产物（葡萄糖酸）。
- 前沿问题：提出未来需解析复杂微生物群落中的QS层级网络，并开发原位成像与高灵敏度色谱联用技术。
亮点
- 揭示了AHLs在古菌（如甲烷菌Methanosaeta）中的代谢调控作用，拓展了QS研究范畴。
- 强调环境因素（pH、C/N比）通过影响AHLs组成间接调控代谢，为生态工程提供新思路。
（注：全文术语翻译示例：群体感应-Quorum Sensing (QS)；N-酰基高丝氨酸内酯-N-Acyl Homoserine Lactones (AHLs)；厌氧氨氧化-Anaerobic Ammonia Oxidation (Anammox)）