一個月前，我們曾報道2022年沃爾夫化學獎頒發給了細胞通訊研究領域的研究者Bonnie Bassler。Bassler教授所研究的，是微生物之間溝通的獨特語言系統。這套系統是怎麼被發現、怎麼被破解的？它對臨床醫藥應用有什麼現實意義？今天的文章向我們展示了這項基礎研究的迷人魅力。
撰文 | 洪緯（科學技術史博士）
知名法國社會心理學家勒龐在《烏合之衆》中說：
一個種族的所有個體因為遺傳而得到的共同特征的總和，構成了該種族的靈魂。但是，當其中一定數量的個體聚內建群體，來進行某種行動，那麼，觀察顯示，由于他們聚集在了一起，就出現了一些新的心理特征，與種族的特征重疊在一起，有時候與種族特征會有深深的不同。
人類群體行為的産生是社會學家一直關注的話題。然而，群體行為并不是人類或是高等動物獨有的行為。
近些年來，微生物學家發現細菌也有它們獨有的群體行為。通過獨特的化學語言系統，細菌之間能夠互相交流，感覺彼此，并集體投票做出決定。具體說來，細菌的生理和生化特性會随着群體的密度而變化，展現出少量菌體或單個菌體所不具備的特征和群體行為，以此應對環境的變化。這種現象就是微生物學家所津津樂道的“群體感應（quorum sensing）”。
細菌小至肉眼無法觀察，也不會發出聲音。倘若不借助現代科技，我們無法直接觀察到它們的個體行為，更遑論監測它們的交流過程，解析它們的群體行為。對人類來講，它們的一切行動在被發現之前，仿佛就是一場場密謀，而科學實驗就是研究人員的一場場探秘行為。接下來，我們就将對群體感應的發現和微生物語言系統的破解過程做一個簡要回顧。
一
發光細菌洩了密
1913年，自幼酷愛遠足和收集生物标本的普林斯頓大學青年教師哈維（E. Newton Harvey）與水生生物學家邁耶（Alfred G. Mayer）結伴環遊南太平洋，在澳洲的默裡島（Murray Island）一呆就是三個月。正是在這三個月裡，哈維逐漸迷上了生物發光現象。
三年後，哈維與從事水生生物學研究的新婚妻子遠赴日本蜜月旅行。在日本的西海岸，他被海面上的藍光魅影吸引了。更令他着迷的是，光源海螢（Vargula hilgendorfii）是一種海洋無脊椎動物，也是一種完美的研究材料。在幹燥并儲存多年後，隻要經水濕潤，它的發光系統就能重新煥發活力。沒人知道哈維那次到底運送了多少幹海螢回美國，但在這之後的四十年裡，他一直在用這些材料做研究。
哈維（E. Newton Harvey）丨圖檔來源：美國亞利桑那州立大學，https://embryo.asu.edu/pages/e-newton-harvey
日本岡山海岸處，海螢形成藍色河流丨圖檔來源：https://freeyork.org/photography/blue-rivers-sea-fireflies-trickle-oceanside-rocks-japan/
哈維涉獵的研究領域十分廣泛，生物發光不過是其中的一個。一次偶然的機會讓他發現，微生物居然也會發光。1953年，斯特雷勒（Bernard L. Strehler）首次從發光細菌（Achromobacter fischeri，又被稱為Vibrio fischeri，費氏弧菌）中找到了影響發光的化學分子DPN（Disphosphopyridine nucleotide，二磷酸吡啶核苷酸），并完整地從細菌中提取了發光系統，實作了細胞外發光。聽聞喜訊，哈維發覺斯特雷勒的導師正是自己的得意門生麥克爾羅伊（William D. McElroy）時，他無不自豪地說道：“現在，我有一種自己就是生物發光領域研究祖父的感覺！”
有趣的是，在哈維的衆多學生當中，黑斯廷斯（J. Woodland Hatstings）既是他的弟子，又是他弟子的弟子。1948年，黑斯廷斯随哈維攻讀博士，1951年又追随麥克爾羅伊做博士後研究。在哈維實驗室，黑斯廷斯開發了一種新技術，以測量不同物種的發光反應對氧氣的定量要求。在麥克爾羅伊實驗室，黑斯廷斯在螢火蟲發光系統的傳統領域奮鬥一段時間之後，便轉向了發光細菌。
黑斯廷斯（J. Woodland Hatstings）丨圖檔來源：哈佛大學
當時學界普遍認為細菌的行為是獨立、不依賴于其他個體的。按照這條思路，如果菌體數量增加一倍，同時間裡，光亮強度也應該增加一倍。可是在1970年，黑斯廷斯注意到費氏弧菌和哈維氏弧菌（Vibrio harveyi，1936年以哈維命名）存在一種奇特的現象。在新接種的培養基裡，菌體的數量每30分鐘就能夠增加一倍，但發光卻需要2個小時以上才開始增強，繼而亮度每5分鐘增強一倍。
與此同時，細菌還不斷地向培養基釋放一種名為高絲氨酸内酯的分子（ homoserine lactone，簡稱HSL），而且隻有當HSL達到一定濃度時，被抑制的特定基因才啟動轉錄程式，細菌才能綻放魅力四射的光芒。這是有記載以來科學家首次發現群體感應現象。
黑斯廷斯将信号分子HSL稱為“自誘導物（autoinducer，簡稱AI）”，因為不同于外加的誘導物，HSL既能誘導基因的表達又由細菌自己産生。
對于新生事物或者新學說，大衆總是需要一個緩慢的接受過程，有時候甚至充滿着抵觸情緒。就像曆史上許多做出重大發現的人一樣，這一次，黑斯廷斯也處于類似的境地，學界非但不接受他的發現，反而冷眼嘲諷。
二
語言系統遭破解
阿格隆研究所（Agouron Institute）的西爾弗曼（Michael R. Silverman）是個例外。他認為黑斯廷斯的發現極其有趣，并于1980年代找到了群體感應的核心分子機制。在費氏弧菌中，西爾弗曼發現LuxI蛋白催化合成AI分子，作為受體的LuxR蛋白則結合AI，繼而激活編碼熒光素酶的基因的轉錄。接下來，他又進行了大腸杆菌轉化實驗，經過改造後的大腸杆菌能夠産生信号分子HSL，也能利用它感覺菌體濃度。當菌體濃度達到門檻值時，大腸杆菌就開始發光。陸續地，他找出了能夠産生和檢測細胞外信号分子的基因和蛋白質，并向學界全面诠釋了這些元件如何激發群體感應。
西爾弗曼很少公開演講，一直像“隐士”般地存在于科學界。一次機緣巧合，正值博士畢業之際的巴斯勒（Bonnie Bassler）聽了一場他的講座，演講的内容便是細菌如何通過群體感應啟動發光系統。巴斯勒感覺這太美妙了，細菌竟然能夠投票表決何時開燈！更重要的是，她察覺到發光細菌作為遺傳學研究材料的便利性，隻要随手按下實驗室的電燈開關，看看細菌有沒有發光，就可以知曉實驗結果。講座一結束，她就直奔講台，向西爾弗曼表示要跟他做博士後。西爾弗曼被她的研究激情感染，當場給了工作允諾。這一富有戲劇性的開端，成為了巴斯勒出席各種公開演講中最為津津樂道的一幕。收獲一枚得力幹将之後，慷慨的西爾弗曼便将群體感應的研究完全移交給了她，再次退居鄉野。
西爾弗曼（Michael R. Silverman）和巴斯勒（Bonnie Bassler）丨圖檔來源：普林斯頓大學化學系推特首頁
值得注意的是，他們找到了信号分子以及相關基因和蛋白質，也大緻清楚細菌發光系統的運作流程，但都沒有對細菌的這一群展現象進行正式命名。1978年，黑斯廷斯的一位博士後格林伯格（E. Peter Greenberg）在康奈爾大學開始獨立上司一個實驗團隊，同樣利用費氏弧菌做着相似的工作。生物研究耗時耗力，道阻且長，直到1994年，發光細菌的這一群體行為終于在格林伯格研究團隊的一次頭腦風暴中擁有了一個正式名稱：“群體感應（quorum sensing）” 。這一領域當時相目前沿，想要擷取學界的廣泛關注，名字也必須稍有特色。果不其然，“群體感應”這個名稱逐漸得到了學界的廣泛接受，關注和研究它的科學家也越來越多，日漸形成了一個較有規模的群體。目前，全世界已經有幾百家實驗室在從事相關研究。
然而，于1990年抵達阿格隆研究所的巴斯勒并沒有将費氏弧菌作為重點研究對象，而是轉向了哈維氏弧菌。巴斯勒發現，哈維氏弧菌與它的同種細菌交流時，也是依賴一種HSL自誘導物。不同的是，哈維氏弧菌還會釋放另外一種化學分子來激發種間的群體感應。也就是說，哈維氏弧菌具有兩套不同的群體感應系統，第一種自誘導物用于種内交流，稱為AI-1；第二種自誘導物用于種間交流，稱為AI-2。原來，細菌不僅不自閉，反而更像是語言天才。
科學家這才意識到，細菌世界還可能像人類一樣存在多種語言。後來的研究發現，細菌們甚至還有一種世界通用語。自誘導物不僅僅有HSL，即常見的酰基高絲氨酸内酯類（Acyl-homoserine lactones，AHLs），還有其它類型：譬如，革蘭氏陽性菌一般利用寡肽類信号分子（Autoinducing Peptide， AIP），弧菌類特有霍亂自誘導物（Cholera autoinducer 1，CAI-1），以及種間交流信号分子為呋喃酰硼酸二酯（Autoinducer-2，AI-2）等等。
這些信号分子的發現凝結着衆多研究者的心血，也是他們探索之路上的必然結果。必然性常常隐藏着偶然性，甚至有時候還有浪漫色彩從旁點綴，比如AI-2的晶體結構解析就稍帶傳奇性。當時，巴斯勒剛剛開始在普林斯頓大學獨立上司屬于自己的實驗室。不久，她便和晶體學家休森（Fred Hughson）共同解析出了實驗條件下生産出的AI-2的晶體結構。分析結果驚呆了在場的所有研究人員，因為AI-2分子中竟然含有硼原子，而元素“硼”在自然界極其少見。更不可思議的是，硼來自玻璃試管 。玻璃公司為了提高玻璃性能往往會參雜一些硼元素，而這微量的硼元素完美地還原了弧形菌在自然界中的生活環境。試想下，倘若當年他們用的是不含硼的塑膠試管，也許AI-2分子結構的秘密就沒有那麼早被發現！有趣的是，不同細菌會對AI-2進行不同的化學加工，是以AI-2就成為了細菌世界裡的通用語言。
更加有趣的是，有些細菌還能利用這種通用語言來欺騙其它種群。比如，巴斯勒發現在一個混合多個菌種的菌群裡，大腸杆菌會消耗霍亂弧菌的AI-2，讓它們以為群體數量沒有達到群體感應所需門檻值。霍亂弧菌緻病關鍵就在于，它會啟動群體感應來釋放毒素，繼而導緻宿主腹瀉。當霍亂弧菌發現自己未能達到群體感應所需的數量，則趁機溜出宿主體外，伺機尋找下一個受害者。如此說來，腸道裡的大腸杆菌或許可以通過幹擾群體感應來阻止霍亂弧菌的感染和進一步的傳播。
巴斯勒（Bonnie Bassler）和她的發光細菌丨圖檔來源：美國公共廣播電視公司，https://www.pbs.org/wgbh/nova/body/bassler-bacteria-au.html）
經過數十年的研究，科學家們現在知道，群體感應能在細菌中開啟或者關閉數百個基因表達。也就是說，細菌的交流過程啟動了一個巨大的遺傳程式。這個過程類似于胚胎的發育，它使細菌能夠快速完成從個體成員到群體成員的轉變。群體感應還調控着細菌的許多其它行為，比如生物被膜的形成、緻病因子的産生、抗生素的合成、質粒的接合轉移以及細菌的遷移運動等等。
這些行為當中有一些均與細菌的緻病機制相關。前文提到的格林伯格就是這方面的領銜人物。自獨立上司研究團隊以來，他除了研究費氏弧菌，還研究螺旋體，并在後一領域裡頗有建樹和富有一定的影響力。1988年，格林伯格回到母校愛荷華大學之後，開始專注于費氏弧菌中的LuxR蛋白的研究。
格林伯格（E. Peter Greenberg）丨圖檔來源：華盛頓大學
當時西爾弗曼已經研究清楚，LuxR蛋白是由自誘導物激活的轉錄因子，再反過來與自誘導物結合，參與細胞的群體感應。後來，格林伯格上司的團隊發現LuxR蛋白的C端保守，N端可變。C端有30%序列保留了激活發光基因的能力，但不需要信号分子。距離N端最近的60%序列可以結合信号分子，但不能影響基因的轉錄。也就是說，他們進一步弄清楚了LuxR蛋白參與群體感應的分子機制，這距離細菌語言系統的完全破解又更近了一步。格林伯格當機立斷地停止了螺旋體的相關研究，全力以赴地進行群體感應的“信号”研究。
一次會議中，他偶然得知羅切斯特大學的伊格萊夫斯基（Barbara Iglewski）實驗室找到了銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa，又稱綠膿杆菌）的緻病因子的調控基因，其中有一段基因序列與LuxR基因高度同源，這說明群體感應可能與緻病因子的産生密切相關。一陣交流後，他與伊格萊夫斯基兩人一拍即合，立即決定開展合作，重點關注銅綠假單胞菌的群體感應研究。随着研究的深入，他們發現群體感應控制着許多與緻病因子相關的重要基因。
值得一提的是，銅綠假單胞菌廣泛存在，我們正常人的皮膚、呼吸道和腸道中都有蹤迹。但是，它又是一種條件性緻病菌，是醫院内感染的主要病原菌之一。同時，它還是囊性纖維化病（CF，cystic fibrosis）患者的緻命殺手。CF是一種常染色體隐性疾病，高發于高加索人群，美國約有35,000人受之困擾。患者的粘液過于粘稠，肺部難以排出細菌，使得感染相對容易發生。如果銅綠假單胞菌在細胞濃度較低時就産生毒力蛋白，這無疑是在提醒宿主盡快啟動免疫反應。但是，銅綠假單胞菌非常聰明，它們在自身細胞濃度相當高時才開啟群體感應，産生毒性蛋白，破壞肺部組織，達到嚴重損害肺部功能的目的。
治療過程中，CF患者需要不斷地使用抗生素。然而，銅綠假單胞菌天生對大部分抗生素有抗藥性，而且能快速地産生抗藥性突變，這真是雪上加霜！多年下來，CF病患最終受困于無藥可治的泥沼裡，任由疾病折磨直至凋零。如果有一天能夠開發出群體感應的抑制劑，CF患者或許就能得以解脫。
黑斯廷斯曾經在一個采訪中說過：“相比癌症這樣實踐性非常強的研究領域，生物發光或者晝夜節律是非常基礎的研究，研究人員對它的熱愛必須發自肺腑才行。”他沒有想到的是，正是因為生物發光的研究，科學家們才逐漸将他的“群體感應”發揚光大，如今又不知不覺地将基礎研究引入了實踐之中。
三
病毒在竊聽
近些年來，研究人員已經開始聯手藥物研發公司，嘗試開發群體感應抑制劑，希冀為對抗疾病帶來新技術，讓患者不再被細菌的耐藥性困擾，盡早進入“後抗生素時代”。令人頭痛的是，很多狡猾的細菌耐心十足。它們知道，憑借一己之力，單個細菌會被宿主輕易地清理消除。于是，它們靜靜地複制、分裂、變異，等候時機成熟，直到它們認為群體達到了一定的規模，才發起集體行動，協同作戰，攻擊宿主。可見，它們絕非“烏合之衆”。正因如此，科學家群體和醫藥公司目前還沒未開發出可行的藥物來對付細菌的“群體感應”，攻破細菌堡壘。
群體感應示意圖丨圖檔來源于推特
就是這樣一群“精銳之師”，亦有天敵。世界上早已經有其它物種比人類快一步破解了它們的秘密，那就是噬菌體——一種侵襲細菌的病毒。
一天，巴斯勒的一位研究所學生西爾佩（Justin Silpe）提出了一個大膽的設想，認為病毒會竊聽細菌的交流。巴斯勒雖然心存質疑，但是仍然讓他自由探索。西爾佩用一種叫做VP882的噬菌體去感染沙門氏菌。他觀察到，噬菌體會提取宿主的分子信号，但并不參與細菌的交流，而是利用它來決定攻擊細菌的時間。當信号越來越強時，病毒就知道細菌的群體規模已足夠大，是時候産生子代、裂解宿主了！釋放出的新噬菌體再去感染其它的細菌，讓細菌大軍全軍覆沒。
就在西爾佩發表該項研究成果的前一年，以色列魏茨曼科學研究所的一個實驗室證明了病毒中也存在着交流系統。索雷克（Rotem Sorek）和他的團隊本來想利用噬菌體感染細菌，再觀察細菌對噬菌體的反攻是單打獨鬥還是群起而攻之，卻有了一個意外的發現。細菌很安靜，病毒在喧嚣，原來病毒正在用自己的語言傳遞資訊。噬菌體知道在宿主細胞裡什麼時候該潛伏，什麼時候該進攻。随着研究的進一步深入，索雷克發現噬菌體應用的信号分子是一種寡肽類，并将這種分子命名為“仲裁員（arbitrium）”。
通過對病毒的研究，科學家對微生物們的群體感應系統又多了一分了解，為對付微生物感染找了新的突破口。可是我們不能忘記，微生物無處不在，并且在地球上已經存在了幾十億年。科學家們的願景雖美，但路漫漫其修遠兮！
感謝耶魯大學嚴兢教授的專業指導和耐心審閱！
主要參考資料
[1]（法）古斯塔夫·勒龐著，董強譯：《烏合之衆：群體心理學》，浙江文藝出版社，2018年。
[2] Frank H. Johnson, Edmund Newton Harvey (1887-1959), National Academy of Sciences, 1967。
[3] L. Stephen Coles, Bernard Strehler(university of Southern California, Professor of Biology), Journal of Anti-aging Medicine, Volume 4, Number3,2001,p:233-234。
[4] Tinsley H. Davis，Profile of J. Woodland Hastings，Proceedings of the National Academy of Sciences Jan 2007, 104 (3) 693-695。
[5] Farooq Ahmed，Profile of Bonnie L. Bassler，Proceedings of the National Academy of Sciences Apr 2008, 105 (13) 4969-4971。
[6] Tinsley H. Davis，Biography of E. P. Greenberg，Proceedings of the National Academy of Sciences Nov 2004, 101 (45) 15830-15832。
[7] 美國疾控中心網站關于囊性纖維化的介紹。https://www.cdc.gov/genomics/disease/cystic_fibrosis.htm#:~:text=Cystic%20fibrosis%20(CF)%20is%20a,makes%20infections%20more%20likely%3B%20and
[8] Bernard L. Strehler, Milton J. Cormier, Factors Affecting the Luminescence of Cell-Free Extracts of the Luminous Bacterium, Achromobacter fischeri, Archives of Biochemistry and Biophysics，1953: p16-33。
[9] Susan Brink, A Virus Can Eavesdrop On Bacterial Communication, December 13, 2018. https://www.npr.org/sections/goatsandsoda/2018/12/13/676389858/a-virus-can-eavesdrop-on-bacterial-communication
[10] Elie Dolgin, The Secret Social Lives of Viruses, Nature, 18 June 2019。https://www.nature.com/articles/d41586-019-01880-6
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