杨钰婷, 陈瑾, 陈姗姗
, 周顺桂 福建农林大学资源与环境学院, 福建省土壤环境健康与调控重点实验室, 福建 福州 350002
收稿日期：2020-02-21；修回日期：2020-05-19；网络出版日期：2020-07-10
基金项目：国家自然科学基金(41877052)
*通信作者：陈姗姗, Tel:+86-591-86398509;E-mail:chenss@fafu.edu.cn.
摘要：群感效应（quorum sensing，QS）是微生物之间以信号分子受体蛋白感知信号浓度变化，从而调控菌群的行为及功能，使其适应环境变化的信号通讯机制。电活性微生物（electroactive microorganisms，EAMs）能进行胞外电子传递，在可再生能源利用和环境修复方面具有广阔的应用前景。近年来，关于QS在EAMs胞外电子传递中的作用的研究日益增多。本文总结了QS对纯EAMs或混合产电菌群的直接或间接电子传递的影响效应及机制，阐述了基于QS的EAMs逻辑与门的构建及其应用前景，并从机制研究的角度展望其未来发展方向。
关键词：群感效应信号分子电活性微生物胞外呼吸逻辑与门
Advances in understanding the impact of quorum sensing on extracellular electron transfer of electroactive microorganisms
Yang Yuting, Chen Jin, Chen Shanshan
, Zhou Shungui Fujian Provincial Key Laboratory of Soil Environmental Health and Regulation, College of Resources and Environment, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, Fujian Province, China
Received: 21 February 2020; Revised: 19 May 2020; Published online: 10 July 2020
*Corresponding author: Shanshan Chen. Tel: +86-591-86398509; E-mail: chenss@fafu.edu.cn.
Foundation item: Supported by the National Natural Science Foundation of China (41877052)
Abstract: Quorum sensing (QS) is a ubiquitous cell-cell communication mechanism in which microorganisms secrete and respond to signaling molecules by synthases and regulatory proteins to adapt to environmental changes. Electroactive microorganisms (EAMs) are capable of extracellular electron transfer and have broad application prospects in renewable energy utilization and environmental remediation. Recently, an increasing number of studies have focused on the roles of QS in the extracellular electron transfer of EAMs. In this review, we summarized the effect and mechanisms of QS in EAMs. QS influences pure-culture EAMs through an indirect electron transfer mechanism by stimulating or suppressing electron shuttle production. QS improves the electroactivity of pure-culture EAMs through a direct electron transfer mechanism by stimulating biofilm formation and changing the abundance and structure of the outermost surface proteins. QS enhances the electroactivity of mixed-culture EAMs by promoting biofilm formation and increasing the relative abundance of EAMs inside the biofilm. We also review the construction and application potential of QS and EAM-based AND logic gates and propose future research directions from the perspectives of mechanistic research.
Keywords: quorum sensingsignaling moleculeelectroactive microorganismextracellular respirationAND logic gate
群感效应(quorum sensing，QS)是一种微生物间通过分泌、释放特定的化学信号分子(例如革兰氏阴性菌使用的高丝氨酸内酯(acylhomoserine lactone，AHL)、革兰氏阳性菌使用的寡肽)，并以信号分子受体蛋白感知信号分子浓度变化，从而调控菌群的行为及功能，使其适应环境变化的信号通讯机制[1]。化学信号分子可以调节微生物中关键基因的表达，从而增强微生物的活性、增殖能力、生存能力和聚集性[2]。
QS对微生物的影响效应在费式弧菌(Vibrio fischeri)的生物发光、铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)的生物膜形成和致病因子产生等研究中较为成熟[3-4]。近年来，开始有****研究QS在电活性微生物(electroactive microorganisms，EAMs)胞外电子传递中的作用[5]。EAMs是一类能将胞内代谢活动产生的电子传输给细胞外的固态载体(如电极、氧化铁、其他微生物细胞等)，或能从胞外载体摄取电子并以氧化态物质(如二氧化碳、硝酸盐和高氯酸盐等)作为最终电子受体的微生物，具有胞外电子传递功能是EAMs区别于其他微生物的最大特点，目前已知的EAMs有近百种[6-7]。其胞外电子传递机制可分为两大类[8-9]：(1)间接电子传递机制：部分EAMs能分泌吩嗪、核黄素、绿脓素、黑色素等氧化还原物质作为介导EAMs内部电子传递链与胞外固体载体间电子穿梭的介体；(2)直接电子传递机制：部分EAMs能利用细胞膜上的细胞色素c、铁硫蛋白或Ⅳ型导电菌毛，与胞外载体直接接触进行电子传递。EAMs的发现拓宽了人们对微生物新陈代谢多样性的认识，为理解自然环境的生物地球化学过程提供了全新的科学视角，并在土壤污染物原位修复、污水处理、生物质能回收与环境在线检测等方面表现出广阔的应用前景。微生物电化学系统(bioelectrochemical systems，BES)是一种EAMs以固体电极为电子供/受体进行氧化还原反应的装置[10]，能模拟复杂的微生物系统电子流动，输出直观的电流或电压信号以表征EAMs的胞外电子传递性能，是研究EAMs电子传递相关生理生态特性的重要手段。本论文将介绍EAMs中的QS系统，根据电子传递机制的不同，分类总结QS对纯菌EAMs及混合菌EAMs的影响效应，阐述QS联合EAMs的逻辑与门的构建与应用前景。
1 QS对纯菌EAMs间接电子传递过程的影响 假单胞菌属微生物是通过分泌内源性电子穿梭体来进行间接胞外电子传递的代表性EAMs[11]。以铜绿假单胞菌为例，铜绿假单胞菌有两个基于AHL的QS系统——LasR/LasI系统和RhlR/RhlI系统，分别由转录调节蛋白(LasR和RhlR)和自诱导合成酶(LasI和RhlI)组成[12-13]。LasI控制N-3-氧代十二烷基高丝氨酸内酯(3O-C12-HSL)的合成，3O-C12-HSL与转录调节蛋白LasR结合后，LasR发生响应激活下游基因，例如编码胞外蛋白酶的基因、rhlI和rhlR基因以及基于2-庚基-3-羟基-4-喹诺酮(假单胞菌喹诺酮信号，PQS)的QS系统基因。RhlI控制N-丁酰基高丝氨酸内酯(C4-HSL)的合成，转录调节蛋白RhlR与C4-HSL结合激活下游基因，包括产生氰化物的基因及PQS系统的基因。PQS系统是铜绿假单胞菌中一个非AHL介导的QS系统。该系统中pqsABCDE参与PQS的合成，PQS与LysR型受体PqsR蛋白结合以完成QS过程。以上3个QS系统在铜绿假单胞菌中以分层网络的形式运作，通过合作来控制铜绿假单胞菌的许多生理现象，例如毒力因子诱导、次生代谢物生成、群体运动和生物膜形成等[14]。
铜绿假单胞菌分泌吩嗪类化合物作为电子穿梭体介导自身的胞外电子传递，其吩嗪类化合物的合成受LasR/LasI、RhlR/RhlI和PQS三个QS系统的共同调控，调控关系如图 1所示。LasR/LasI系统正向调控RhlR/RhlI系统和PQS系统，PQS系统正向调控RhlR/RhlI系统，而RhlR/RhlI系统通过干扰PQS系统中pqsR和pqsABCDE基因的表达对PQS系统进行负调控[15]。RhlR/RhlI系统的RhlR蛋白与PQS系统的PqsE蛋白均可直接激活与吩嗪类化合物合成相关的phz操纵子，正向调控吩嗪的合成[16]。吩嗪类化合物合成系统中，phzABCDEFG负责将分支酸转化为吩嗪-1-羧酸，基因phzS、phzM和phzH将吩嗪-1-羧酸分别转化为吩嗪类物质1-羟基吩嗪、绿脓菌素和吩嗪-1-甲酰胺[17]。表 1总结了能影响EAMs合成和分泌电子穿梭体能力的QS系统。
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| 图 1 群感效应对铜绿假单胞菌的间接电子传递的影响机制 Figure 1 Influencing mechanisms of quorum sensing on indirect electron transfer of Pseudomonas aeruginosa. |
| 图选项 |
表 1. 电活性微生物中电子穿梭体合成及生物膜形成相关的群感效应系统 Table 1. Quorum sensing systems related to electron shuttle production and biofilm formation in electroactive bacteria
| Strains | QS system | Function | References |
| Acidithiobacillus ferrooxidans ATCC 23270 | Type AI-1 | Biofilm formation | [18] |
| Acinetobacter sp. strain DR1 | LuxI/LuxR | Biofilm formation | [19] |
| Bacillus subtilis YC-161 | LuxS/AI-2 | Biofilm formation | [20] |
| Burkholderia cepacia H111 | Cep | Biofilm formation | [21] |
| Escherichia coli | Pfs LuxS | Biofilm formation | [22] |
| Proteus mirabilis O18 | LuxS/AI-2 | Biofilm formation | [23] |
| Pseudomonas aeruginosa PAO1 | LasI/LasR PQS RhlR/RhlI | Biofilm formation Pyocyanin production Pyocyanin production | [24] |
| Pseudomonas sp. M18 | LasI/LasR RhlR/RhlI | Phenazine production | [14] |
| Pseudomonas aeruginosa 30–84 | PhzI/PhzR | Phenazine production | [25] |
| Pseudomonas chlororaphis PA23 | PhzI/PhzR | Phenazine production | [26] |
| Pseudomonas fluorescens 2P24 | LuxR/LuxI PcoI/PcoR | Biofilm formation | [27] |
| Pseudomonas putida IsoF | PpuI/PpuR | Biofilm formation | [28] |
| Rhodobacter sphaeroides 2.4.1 | LuxR/LuxI | Growth of large aggregates | [29] |
| Shewanella woodyi MS32 | LuxR/LuxI | Biofilm formation | [30] |
| Staphylococcus | LuxS/AI-2 | Biofilm formation | [31] |
表选项
Venkateraman等[32]敲除铜绿假单胞菌PA14的retS基因，发现突变株在BES中电流密度达到接近9 μA/cm2，是野生株的60倍以上，其作用机制如下：PA14中的GacS/GacA双组控系统能正向调控其RhlR/RhlI系统，而RetS蛋白会抑制GacS的磷酸化(图 1)；当不表达RetS蛋白时，Gacs的磷酸化功能被活化，导致小分子RNA RsmY和RsmZ的转录增加；这些小分子RNA能螯合RsmA蛋白，而RsmA蛋白对RhlR/RhlI系统是有抑制作用的。因此，RsmY和RsmZ对RsmA蛋白的螯合使其对RhlR/RhlI系统的抑制作用消失，从而促使吩嗪类化合物的生成，电子传递性能提高。
Berger等[33]以PA14野生株与其不表达LasR蛋白的ΔlasR突变株为研究对象，当以葡萄糖为碳源时，野生株和突变株均可生成电子穿梭体，只是电子穿梭体的组成和产电的时间有变化。当以2, 3-丁二醇为碳源时，突变株无法产生电子穿梭体及电流。该研究揭示了在某些碳源中，LasR蛋白对铜绿假单胞菌电活性的稳定性至关重要。野生型铜绿假单胞菌CGMCC1.860是以一种中点电位高达0.2 V的氧化还原化合物为电子穿梭体进行胞外电子传递的。Yong等[34]构建了其RhlR/RhlI系统相关基因过表达的突变株IR，其分泌的电子穿梭体转变为低中点电位的绿脓素(–0.17 V)和1-羟基吩嗪(–0.28 V)，低中点电位的电子穿梭体更有利于胞外电子传递。因此，突变株产生的最大电流密度比野生株增大了1.6倍。
Yang等[24]以铜绿假单胞菌PAO1为研究对象，发现QS系统对铜绿假单胞菌的胞外电子传递具有双向调节作用：当同时敲除lasI和rhlI基因时，突变株产生的电流密度比野生株低，添加10 μmol/L的外源信号分子3O-C12-HSL不影响其电流密度而10 μmol/L的C4-HSL能使突变株的产电情况恢复到与野生株相当的水平，C4-HSL是RhlR/RhlI系统的信号分子，证明RhlR/RhlI系统对铜绿假单胞菌胞外电子传递具有正向调控的作用；相反地，敲除PQS系统相关基因的pqsA突变株反而比野生株和过表达PQS系统相关基因的pqsL突变株具有更高的产电性能，添加10 μmol/L的外源信号分子PQS不影响野生株和pqsL突变株的电流，却会降低pqsA突变株的产电效果，发生负作用的原因在于，PQS信号分子的毒性会抑制细菌生长，在有氧的情况下抑制作用比厌氧时更明显。假单胞菌PQS系统的调控路径如图 1所示。PqsC合成PQS的前体物质2-庚基-4-羟基喹啉(HHQ)，在有氧环境中，单氧酶PqsH氧化HHQ生成PQS信号分子，PQS与PqsR结合后，激活PqsAD和PqsE，PqsE直接激活phz操纵子，促使吩嗪类化合物的合成与分泌。基于此，为达到降低PQS信号分子毒性同时增加吩嗪分泌的目的，Wang等[35]构建敲除pqsC基因并过表达pqsE基因的突变株ΔpqsC+sPqsE，该突变株可以在不产生PQS信号分子的情况下，比野生株多分泌1.3倍的吩嗪。接种突变株的BES最大电流密度达到0.5 μA/cm2，约是对照组的5倍。
综上所述，QS信号分子及与QS系统相关的基因操控均能影响基于间接机制的EAMs的胞外电子传递，其抑制机制是QS系统分泌的某些信号分子会抑制EAMs的生长，其促进机制是QS系统正向调控了合成电子穿梭体的相关蛋白，从而影响了EAMs分泌电子穿梭体的能力。
2 QS对纯菌EAMs直接电子传递过程的影响 以直接电子传递机制进行产电/吸电的EAMs通常需与细胞外的固态电子供/受体进行直接物理接触，因此该类EAMs往往在电子供/受体表面形成生物膜。QS正是通过影响该类EAMs的生物膜形成，进而影响其胞外电子传递的。表 1总结了能影响EAMs生物膜形成的QS系统。
地杆菌属(Geobacter)微生物是以膜结合蛋白和导电Ⅳ型菌毛来进行直接胞外电子传递的代表性微生物。目前关于地杆菌属的QS系统未见研究。分析地杆菌属三株代表性菌株金属还原地杆菌(Geobacter metallireducens GS-15)、硫还原地杆菌(Geobacter sulfurreducens PCA)和土壤地杆菌(Geobacter soli GSS01)的全基因组[36-38]，发现三者均存在可编码QS系统转录调节蛋白LuxR的基因。Fang等[39]研究了AHL对吸收胞外电子的土壤地杆菌GSS01的影响。在接种了GSS01的BES阴极液中添加终浓度为10 μmol/L的C6-HSL或3O-C12-HSL，发现土壤地杆菌可直接在阴极快速启动，启动时间缩短为不添加AHL对照组的50%。成膜后，添加AHL的实验组电子吸收性能增强，硝酸盐还原率为对照组的2倍以上。究其原因，添加AHL的实验组中生物膜的生物量及细胞活性有所提高，生物膜的胞外聚合物中的蛋白质和多糖含量增加，最外层表面蛋白的氧化还原活性增强，GSS01生物膜的吸收电子性能得以促进。
Jing等[40]在以GSS01为阳极产电菌的BES阳极液中添加终浓度为10 μmol/L的C6-HSL或3O-C12-HSL，发现GSS01在电极上的成膜速度加快，第一周期即出现完整生物膜，BES的电流启动时间从对照组的12 d缩短至4 d，电流稳定时的电流密度从约0.35 mA/cm2升高至约0.6 mA/cm2，生物膜中胞外聚合物的电化学活性也增强了50%–75%。鉴定GSS01形成的生物膜最外层表面蛋白的相变行为，发现外源添加的QS信号分子促进生物膜上酰胺II以及羰基和酰胺之间H键的形成。猪酰化酶能淬灭AHL。Jing等[40]添加猪酰化酶来研究GSS01是否分泌内源性AHL，结果表明GSS01会分泌内源性AHL，且内源性AHL也能促进生物膜的形成和电化学活性，其机理是通过提高外膜蛋白的相对丰度来达到促进效果，机制上与外源AHL不同(图 2)。
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| 图 2 群感效应对纯菌电活性微生物直接电子传递的影响机制 Figure 2 Influencing mechanisms of quorum sensing on direct electron transfer of pure electroactive microorganisms. |
| 图选项 |
嗜酸氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillus ferrooxidans)是以膜结合蛋白和Ⅳ型菌毛进行直接传递电子的嗜酸自养EAM[18]。其QS系统由AI-1系统和一个类Lux系统组成。其中AI-1系统由转录调节蛋白AfeR和AHL自诱导合成酶AfeI组成，AfeI可合成9种具有不同C3取代基的AHL分子，其QS系统影响了胞外聚合物的合成和生物定殖。在嗜酸氧化亚铁硫杆菌吸收电子的BES中，添加终浓度为5 μmol/L的C14-HSL混合物(包括C14-HSL、3OH-C14-HSL和3O-C14-HSL)，电流值增加了2倍，原因是AHL加速了微生物在电极表面的定殖[41]。
QS除了影响EAMs与电极间的直接电子传递外，还可能影响EAMs的种间直接电子传递。Wei等[42]在金属还原地杆菌和硫还原地杆菌形成的团聚体中检测到的C4-HSL浓度，远高于在两者的浮游细胞中检测到的C4-HSL浓度，他们由此推测C4-HSL促进了地杆菌属微生物团聚体的形成，而形成紧密的团聚体是地杆菌属进行种间直接电子传递的必要条件。目前对QS影响EAMs种间直接电子传递的研究较为匮乏，亟需深入探索。
终上所述，QS信号分子能促进基于直接机制的EAMs的胞外电子传递，其促进机制主要是QS信号分子加快了生物膜的形成速度及改变了生物膜表面蛋白的丰度与结构。
3 QS对混合菌EAMs的胞外电子传递的影响 在实际应用中，混合菌更占据优势，因此除了研究QS对纯菌EAMs的影响效应外，不少****围绕QS对混合菌EAMs电子传递的影响效应进行探索。
Liu等[43]在单室混合菌产氢BES中投加浓度为1 μmol/L或10 μmol/L的3O-C6-HSL或3O-C12-HSL后，发现添加AHL电流均有所上升，添加3O-C6-HSL的实验组比添加3O-C12-HSL的实验组产电更高。在产氢BES中，用能量效率(即质子还原为氢气的得电子量与总电量的比值)来表征电能转化为氢能的效率，短链的3O-C6-HSL能使能量效率提高10%，而长链的3O-C12-HSL对能量效率没有明显改善，短链信号分子比长链信号分子更有效的原因是，短链信号分子更容易在细胞内外快速扩散。Cai等[44]进一步探究了短链信号分子3O-C6-HSL对单室混合菌产氢的BES中阴阳极生物膜的微生物群落结构的影响，结果表明，添加10 mmol/L的3O-C6-HSL实验组，阴阳极生物膜中的EAMs占比增加，嗜氢菌占比减少，促使BES的能量效率提高。
Monzon等[45]研究了QS信号分子对处理高盐废水的BES中嗜盐产电混合菌[其中前柔嗜盐厌氧菌(Halanaerobium praevalens)占比70%]的影响。分别添加100 nmol/L或1 μmol/L的C4-HSL、3O-C12-HSL或PQS，发现AHL对嗜盐混合菌的生物膜形成没有明显影响，而低至100 nmol/L的PQS即可促进混合菌中前柔嗜盐厌氧菌与多糖生物合成相关的基因表达，极大地刺激了生物膜的形成。100 nmol/L的PQS促进效果(约提高11倍)比1 μmol/L的PQS更佳(约提高5倍)，产电功率密度最高可提高75%，长期稳定值增长30%。
Chen等[46]在接种厌氧好氧混合污泥的BES启动阶段，往阳极培养基中投加终浓度为10 μmol/L的C4-HSL、C6-HSL或3O-C12-HSL，来研究外源AHL对混合菌EAMs的影响；添加终浓度为6 μg/L的猪酰化酶来研究内源分泌的AHL对混合菌EAMs的影响。结果发现内源AHL使BES的启动时间缩短了3 d，稳定期产电库仑效率增加8%；外源AHL使BES的启动时间缩短了6 d，稳定期的电流库仑效率增加了7%以上。产电性能的提高归因于内源及外源AHL均能提高EAMs形成的电活性生物膜的氧化还原活性、电导率、生物量、胞外聚合物总量及丰度。高通量测序分析结果表明，外源性AHL使混合菌生物膜中典型EAMs地杆菌属微生物的占比增加了15%以上，这也是混合菌胞外电子传递性能增加的原因之一。
酵母菌属的QS信号分子为芳香醇。该属在BES中产电时，一般为浮游状态，电子传递效率较低。Christwardana等[47]在聚乙烯亚胺(PEI)碳毡阳极上分别固定3种酵母菌属的QS信号分子苯乙醇、色醇和酪醇以改善阳极材料，发现苯乙醇及色醇改性的阳极材料使附着成膜的酵母生物量比对照组增加1倍，电荷转移电阻降低40%以上，且最大产电功率密度也有所增加，原因是细胞的附着是直接电子传递发生的必要条件，酵母在电极上的附着量增加导致其直接电子传递效率的提高。而酪醇对酵母BES产电性能无明显作用，原因是酪醇的2个-OH基团与PEI的氨基双重配位，而PEI氨基的作用是在碳毡和酵母细胞膜之间建立强酰胺键和肽键以增加粘附力和截留率，因此-OH基团与氨基的配位减少了酵母能够附着的位点，导致在酪醇改性的阳极材料上成膜的酵母生物量增加幅度不如苯乙醇及色醇。
终上所述，QS信号分子能促进混合菌EAMs的胞外电子传递。其促进机制主要是QS信号分子刺激了生物膜的形成及提高了EAMs在生物膜中的占比(图 3)。
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| 图 3 群感效应对混合菌EAMs胞外电子传递的影响机制 Figure 3 Influencing mechanisms of quorum sensing on extracellular electron transfer of mixed electroactive microorganisms. |
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4 基于QS的EAMs逻辑与门构建 逻辑门是计算机信息处理的基本单元，可接收不同的输入信号来控制计算机中二进制的“1”与“0”输出，常由晶体管实现。常见的逻辑门包括与门、或门、非门等。其中的逻辑与门(AND logic gate)只有在所有输入同为高电平即逻辑1时，方可输出逻辑1，否则输出低电平即逻辑0。生物计算机是近年来诞生的计算机分支，相比传统计算机，具有体积小功率高、自我再生能力强、数据错误率低等优点，是发展潜力极大的朝阳领域。生物计算机中的逻辑运算由生物分子(如DNA、核酶、细胞等)来实现，被称为生物逻辑门。以微生物为核心的逻辑门通常用大肠杆菌表达荧光蛋白，以荧光作为输出信号。然而基于荧光的逻辑门需荧光检测和信号转换技术的辅助，且易受背景荧光干扰和荧光漂白影响[48]。QS系统能影响EAMs的胞外电子传递，从而直接影响EAMs输出的电信号值。****们将这一原理应用于生物逻辑与门的构建，以电信号取代荧光信号，避免荧光生物逻辑门存在的信号转换问题。
Li等[49]以同时敲除了编码QS信号分子3O-C12-HSL合成酶LasI和编码QS信号分子C4-HSL合成酶RhlI的铜绿假单胞菌双突变株构建逻辑与门，用以控制BES中电流的产生。该突变株不能分泌3O-C12-HSL和C4-HSL，但具有LasR和RhlR两种转录调节蛋白，因此当外加这两种信号分子作为输入信号时，转录调节蛋白LasR和RhlR激活编码吩嗪类化合物合成蛋白的phz基因的表达，生成吩嗪用作电子穿梭体，从而使BES输出最大的电流信号(图 4-A)。当仅输入一种信号分子时，phz基因不能表达或仅能被部分激活，因此产生的吩嗪浓度相对较低，BES输出的电流信号也较低。
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| 图 4 群感效应联合电活性微生物的生物逻辑与门示意图(据文献[49-50]绘制) Figure 4 Schematic diagrams of bacteria-based AND logic gates based on quorum sensing modules in electroactive microorganisms. A: Pseudomonas aeruginosa; B: Shewanella oneidensis (adapted from reference [49-50]). |
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细胞色素MtrA是奥奈达希瓦氏菌(Shewanella oneidensis MR-1)胞外电子传递路径中的重要蛋白[51]。Hu等[50]在MR-1敲除了编码MtrA的相关基因的突变株中植入异丙基-β-D-硫代半乳糖苷(IPTG)响应模块和QS模块，构建基于QS的逻辑与门来控制BES输出电流信号。当输入IPTG时，IPTG与调节蛋白Lacl结合，通过激活Ptac启动子以诱导luxR基因的表达，从而合成LuxR蛋白。QS信号分子3O-C6-HSL与LuxR结合，激活输出模块相关基因的表达(图 4-B)。当输出模块植入编码MtrA的相关基因时，突变株必须在同时输入IPTG和3O-C6-HSL的情况下，才能得到最高的电功率密度。
以EAMs构建生物逻辑门可实现电信号的直接输出，从而避免了传统生物逻辑门信号转换时出现的背景荧光干扰影响，因此QS联合EAMs构建微生物逻辑门具有应用前景。
5 展望 目前除了QS对假单胞属EAMs的研究较为透彻外，QS对其他EAMs的效应研究尚处于起步阶段，实验均依赖于投加QS信号分子或淬灭剂等传统手段，缺乏靶向性与精准性，需广泛应用蛋白组、转录组等组学手段及基因编辑、基因合成等“建物致知”的合成生物学手段，对QS影响不同EAMs的微观机制进行深入探索，特别是对QS信号与EAMs胞外电子传递能力的关系进行定量研究。此外，合成微生物菌群(synthetic microbial consortia)指的是将两种或两种以上遗传背景完全解析的微生物，在确定的环境条件下共同培养，构建而成的人工群落体系，被用于识别微生物间互作模式[52]，对研究菌群行为大有裨益，其稳定性高、可控性强，是未来研究QS对EAMs胞外电子传递的一个重要工具，研究结果可为复合菌剂的调配提供理论指导。
胞外电子传递发生的场所除电极外，还有EAMs与胞外腐殖质、难溶性氧化铁以及EAMs种间。然而目前QS对EAMs的胞外电子传递影响效应研究基本集中在EAMs与电极间。鉴于刺激QS系统来诱导胞外电子传递从而调控生物膜/颗粒的形成是一种有效的策略，因此需拓宽研究中胞外电子供/受体的种类，以扩大该策略的应用范围。
除QS化学信号外，电信号也是EAMs调控菌群行为功能的重要信号模式[53]，其中的钾离子通道介导的电信号影响EAMs成膜已被报道[54]。从属性来说，电信号不受扩散环境限制，传播速度更快、传播距离更远(可达毫米甚至厘米尺度)；而化学信号受扩散环境的限制，作用距离(微米尺度)远不及电信号，但具有专一性和高效性，在复杂的微界面精准调控中占据优势。QS化学信号与电信号在调控EAMs胞外电子传递中是否存在协同或者拮抗关系，还有待探究。
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