细菌是地球上最古老的生命形式之一，自动物诞生起便与其协同演化，共同构建了我们所熟知的宿主–微生物生态系统。大量研究表明，微生物对宿主的多种生理过程具有重要调控作用。然而，动物是否能够主动感知环境中微生物释放的化学信号，并利用这些信号调控自身的行为，迄今尚缺乏系统的研究。 由于微生物可合成结构多样的小分子代谢物，这些分子或许构成了一种动物能够“读取”的化学语言。在海洋环境中，细菌常常聚集于各种基质表面，形成局部化学物质富集区。章鱼作为海洋动物，演化出了一种独特的神经感知系统，被称为“触尝”（taste by touch），即通过触手吸盘上的化学触觉受体（Chemotactile Receptors, CRs）来“品尝”识别所触摸的猎物、卵及其他关键表面，即使在完全黑暗的环境中也能精准做出反应。因此，本研究以章鱼作为模式动物，探究其是否能够感知细菌分泌的代谢物，并将这些化学信号作转化为行为调控的驱动因素。 2025年6月17日，哈佛大学Nicholas W. Bellono、加州大学圣迭戈分校Ryan E. Hibbs和哈佛医学院Jon Clardy团队（共同一作为Rebecka J. Sepela、蒋昊和Yern-Hyerk Shin）在Cell上发表了文章Environmental microbiomes drive chemotactile sensation in octopus。 研究首先发现，章鱼能够使用触手区分不同微生物覆盖的表面，如新鲜与腐烂的螃蟹、健康与异常的卵。这些表面附着有特定的细菌群落，研究人员从这些表面分离出可培养菌株，并进一步筛选发现其中部分菌株分泌的小分子代谢物，能特异性激活章鱼的化学触觉受体CRT1（而非其他同源受体如CR840或未转染细胞）。通过色谱和结构鉴定，团队确定了两类具有活性的代谢产物：一类为源自腐烂螃蟹表面的β-咔啉类化合物（H3C与1A3），另一类为源自异常卵表面的光色素lumichrome（LUM）。这些代谢物能诱发离体章鱼触手的自主运动，并激活轴向神经的电信号，表明章鱼的化学触觉感知系统可识别细菌的代谢物，并将化学信号转化为神经电信号。 为进一步揭示其分子机制，研究团队利用冷冻电镜解析了上述代谢物与CRT1的复合物结构。结构显示，这些分子均通过疏水相互作用占据相同的配体结合口袋，但在部分关键的氢键相互作用上存在差异。并且，不同类型的分子会使CRT1稳定在不同的激活构象，进而差异化地调控其对钙离子的通透性。由于钙离子作为第二信使，对神经电信号的产生与传导具有重要作用，因此这样的构象差异很可能导致最终行为输出的差异。该结果揭示了章鱼通过同一化学触觉受体的构象变化，实现对不同微生物化学信号的区分与行为输出。 为将上述分子机制与生态情境相结合，研究人员进一步开展了生态行为实验。对自然样本中代谢物的含量进行定性分析发现，H3C显著富集于腐烂螃蟹的壳体上，而LUM则主要存在于异常卵的表面。此外，在行为实验中，经H3C或其类似物NOR处理的模型猎物会被章鱼拒绝捕食，而经LUM处理的人工卵也更容易被母章鱼主动移除，这与生态环境中章鱼的行为一致，表明这些代谢物在生态环境中能有效诱导章鱼产生行为反应。至此，本研究通过整合电生理学、结构生物学与行为学实验，系统构建了“微生物信号–化学触觉受体激活–神经电信号-行为反应”这一完整的感知传导路径。
