原文通訊作者簡介
周進，清華大學深圳國際研究生院副研究員；美國 Woods Hole 海洋研究所訪問學者。研究方向為海洋微生物生態學過程與調節機制。近5年主持完成國家自然科學基金3項，省部級項目多項，以第一作者或通訊作者發表SCI論文60餘篇。申報發明專利12項；參編專著兩部。獲中國海洋科學技術二等獎一次 (排名第1)。
引言
生物汙損 (Biofouling) 具有形成迅速、汙染嚴重、難以清除的特點，給海洋產業帶來了巨大的經濟損失，是世界範圍內的共性難題。研究發現，汙損的發生過程與微生物被膜 (Biofilm) 形成緊密相關，Biofilm的形成受群體感應信號 (Quorum sensing，QS) 調節，因此，群體感應抑制劑 (QSI) 被證明是幹擾生物膜形成的創新方法 [1,2]。
近期，清華大學周進博士團隊發表了一篇以群體感應抑制劑，羅丹明異硫氰酸酯類似物 (rhodamineisothiocyanate analogue, RIA)，在天然海洋環境中具有潛在抗生物汙損的能力的文章，此文章發表於期刊Marine Drugs。
周進博士團隊以QS為聚焦點，以篩選到的羅丹明異硫氰酸酯類似物 (rhodamineisothiocyanate analogue, RIA) 為材料，評估其抗生物汙損的潛在能力，期望開發一種具有抗生物汙損潛力的天然活性產物。本文的創新點在於，以往針對微生物被膜的抑制實驗都是基於模式菌株而展開，而本文以自然海水的環境微生物為對象進行實驗。
1. 實驗分組示意圖
實驗分組如圖1所示，包括五個組別，分別是A組 (QSI陽性菌株弧菌H12)，B組 (弧菌H12的QSI活性提取物)，C組 (空白對照)，D組 (實驗對照，羅丹明類似物)，以及E組 (陽性對照，呋喃酮)。
圖1. 分組實驗示意圖
2. QSI抑制生物被膜的形成
基於生物汙損的生物量及形態進行分析，評估活性物質的抑制活性。比較36 h，80 h，180 h各個實驗處理條件下形成的生物汙損的生物量。圖2A顯示陽性對照組E和實驗組因受到QSI活性提取物的處理 (A和D) 對生物被膜的發育有明顯的抑制作用 (p
圖2. QSI對生物膜生物量及對EPS相關基因表達量的影響
採用螢光顯微鏡表徵在汙損早期 (36 h) 生物被膜的三維結構 (圖3)。經抑制劑處理後的膜結構與未經處理的組別在基質上形成鮮明對比。以36 h為例，與對照組相比，對照組 (C) 中形成了更厚，更緻密的生物被膜，螢光視野中綠色的活細胞較為豐富且部分已連接成片狀有形成被膜的趨勢。相反，抑制劑處理後構成膜的菌群大多呈零星分布。
圖3. QSI對生物膜結構的影響
3. 抑制劑影響多自然環境下的生物被膜群落結構
在汙損形成初期各組間的微生物群落差異較大，表現出明顯的獨特性 (圖4)。造成這種差異的原因可能是由於汙損發生的初期微生物的附著充滿了隨機性 [3]。儘管如此，QSI對實驗組群落組成仍存在較大影響。這種改變尤其表現在對假交替單胞菌 (Pseudoalteromonas) 和鹽單胞菌 (Halomonas) 的數量抑制上。我們推測QSI的添加抑制了成膜菌株的定殖，影響AHL信號分子的產生，從而抑制了生物被膜的發展。
圖4. 微生物群落組成餅狀圖
4. 抑制劑處理下生物被膜的網絡分析
相比較於實驗組樣品，陰性對照組內部相關性緊密，正相關佔主導，群落的穩定性強 (圖5)。而QSI處理後網絡結構疏鬆、節點減少、複雜程度降低。共現性模型分析表明，抑制劑降低了微生物網絡的複雜性，影響了微生物被膜間物種的共發生模式，降低了微生物網絡的穩定性和環境緩衝能力[4,5]。
圖5. 微生物群落生態網絡分析
5. 抑制劑處理下生物被膜群落的功能預測
在抑制劑的影響下，菌群中群體感應功能基因顯著減少 (圖6A)，這一結果進一步證實了我們的猜測：即抑制劑是通過抑制QS活性菌株的群感效應從而抑制被膜形成的。此外，抑制劑顯著下調了被膜內細菌群落的趨化能力、胺基酸代謝和碳水化合物代謝額能力。同時結構方差模型顯示 (圖6B)，抗膜能力的排序中QSI-RIA佔據的份額最大，表明它在抵抗微生物被膜的形成和抑制汙損形成上具有主導作用。
圖6. 細菌群落生態功能預測圖
綜上，本研究證明羅丹明異硫氰酸酯類似物 (RIA) 是一種有效的QS抑制劑，具有潛在的抗汙損價值。未來的研究中將關注該物質的固定化方法 [6]，以實現緩釋能力提升其抗汙效果。
參考文獻
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期刊簡介
Marine Drugs (ISSN 1660-3397; IF 4.073) 是國際型開放獲取期刊之一，主題涵蓋所有來自海洋活性物質的研究，涉及其發現、鑑定及各方面的應用。Marine Drugs採取同行評審，一審周期約為12.3天，文章從投稿到發表平均處理時間僅需33天。