在自然界中，微生物群落在多個(gè)方面發(fā)揮著(zhù)重要作用。如土壤中的微生物菌群在碳循環(huán)中發(fā)揮重要作用；腸道微生物菌群在代謝營(yíng)養物質(zhì)和防止病原體入侵方面發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用。

如何讓不同類(lèi)型的微生物相互交流并行使更多的功能？

中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所戴卓君團隊在人工合成微生物群落領(lǐng)域，針對跨物種菌群因為競爭關(guān)系難以穩定共存的問(wèn)題，提出了一種靈活、精確的策略及方法構建穩定的跨物種微生物群落。并利用該方法靈活且可控的組裝了多種合成菌群，并實(shí)現了菌群間的分工與通訊。

相關(guān)成果于北京時(shí)間2022年7月6日發(fā)表于《自然—通訊》，戴卓君為論文通訊作者，課題組王林為論文第一作者，張曦及唐琛望也對文章工作做出了重要貢獻。

從自然界“取經(jīng)” 構建人工合成微生物群落

在自然界中，微生物實(shí)現群落平衡的一種常用策略是空間分隔，即不同物種在空間上進(jìn)行有序排布，可以行使分工與交流等群落功能，卻不互相干擾。

受大自然的啟發(fā)，研究團隊開(kāi)發(fā)了一種人工的空間分隔方法，構建不同物種的微部落，從而組裝多物種的合成微生物群落，該策略靈活且可控的組裝了多種合成菌群，并實(shí)現了菌群間的分工與通訊。

首先，研究人員構建了尺寸約為400微米，能夠包裹微生物的微球(Microbial swarmbot, MSB)。微球具有三維網(wǎng)狀交聯(lián)結構，能允許營(yíng)養物質(zhì)、信號分子和代謝物等小分子及蛋白質(zhì)等生物大分子的自由擴散，但會(huì )限制微球內的微生物的運動(dòng)。由于MSB具有相對獨立的生長(cháng)空間和明確的承載上限。所以，即使菌群中種群的分裂時(shí)間不匹配也可以平衡增長(cháng)。

研究團隊分別構建了大腸桿菌，釀酒酵母及畢赤酵母的MSB，并驗證了其可以在MSB環(huán)境下生長(cháng)并表達目的蛋白或小分子（大麻萜酚酸），說(shuō)明MSB環(huán)境中不同的微生物可以正常生長(cháng)、代謝并行使特定的生物學(xué)功能。

“如果把微生物群落比喻為一個(gè)大部落，那么MSB就像一個(gè)小部落，代表一種微生物亞群，它能夠與其他MSB交互。通過(guò)將包含不同亞群的MSB進(jìn)行組合，我們進(jìn)一步構建了微生物群落(Microbial swarmbot consortia, MSBC)。”王林表示。

MSBC平臺可實(shí)現多種應用，例如，單一物種的MSBC可以共同制造多酶系統；MSBC的不同微生物可以進(jìn)行分工和交流；光合自養MSBC可以通過(guò)光養型微生物將二氧化碳轉化為碳源，以維持異養型微生物的生長(cháng)。

精準調控菌群比例 構建多物種群落

大腸桿菌和釀酒酵母是實(shí)驗室研究和工業(yè)應用中使用最廣泛的兩種微生物，大腸桿菌可以快速、大量合成蛋白質(zhì)，而釀酒酵母可以對復雜真核酶實(shí)現可溶性表達。如果將其共同培養，組成菌群，能夠將兩種微生物優(yōu)點(diǎn)最大化。

“然而，在實(shí)驗室條件下，構建跨物種微生物群落卻比培養單一菌株要困難得多，其中的最大原因是由于亞群之間營(yíng)養物質(zhì)的消耗和生產(chǎn)速度不匹配。比如，大腸桿菌分裂一代需要20分鐘，而釀酒酵母的分裂時(shí)間為90到120分鐘。”王林說(shuō)道。

如果單純的混合共培養會(huì )使生長(cháng)快速的物種迅速消耗掉營(yíng)養，成為群落中的優(yōu)勢者，從而淘汰掉生長(cháng)較慢的劣勢物種。相比之下，MSBC方法可以實(shí)現大腸桿菌和釀酒酵母兩個(gè)物種的穩定培養以及成分的精準調控。

科研人員首先構建了大腸桿菌和釀酒酵母的MSB，并通過(guò)調控兩種MSB的接種比例組裝了一系列MSBC。結果顯示，這兩個(gè)物種都分別在自己的MSB內增殖，并且物種間有明確的空間界限，并且通過(guò)調整兩個(gè)物種MSB的接種比例，可以精確調節菌群的組成。

通過(guò)簡(jiǎn)單地切換不同的MSB，靈活組合形成不同的MSBC，可以創(chuàng )建一系列兼具靈活性和精度的組合。研究人員進(jìn)一步組合出多種微生物群落并精確的調控了物種比例，例如這只由菌群組成的蝴蝶，翅膀上的“鱗片”就是不同物種的MSB（約400微米直徑的微球，不同的熒光代表不同的物種）,而MSBC技術(shù)可以任意拼裝不同的跨物種菌群，組成色彩斑斕的蝴蝶翅膀。

合成微生物群落 應用面廣

近年來(lái)，合成微生物群落在合成生物學(xué)研究領(lǐng)域中獲得了越來(lái)越多的關(guān)注，因其具有個(gè)體種群所不具備的特征和功能，從而使整個(gè)菌群可以實(shí)現單一菌株無(wú)法完成的復雜功能。

此外，科研人員使用合成生物學(xué)工具對MSBC進(jìn)行編程，不僅實(shí)現了合成生物群落的對話(huà)和通訊，同時(shí)展示了MSBC技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應用潛力和優(yōu)勢。

“MSBC技術(shù)可以實(shí)現跨物種間的分工、通訊、乃至光能自養”戴卓君說(shuō)道。

例如，在農業(yè)生產(chǎn)中，由于過(guò)度使用獸藥和殺蟲(chóng)劑，導致農業(yè)廢水存在大量抗生素和有機磷廢物，對環(huán)境造成了巨大的危害。研究人員通過(guò)構建MSBC，利用兩種物種分別降解抗生素和有機磷，能夠對廢水中的有害物質(zhì)進(jìn)行有效降解。

在生物能源領(lǐng)域，科研人員使用藍藻和大腸桿菌設計構建了光合自養的MSBC，光合自養的微生物藍藻可以利用CO2合成蔗糖。同樣，使用合成生物學(xué)工具改造的大腸桿菌可以將環(huán)境中的蔗糖運輸到細胞內進(jìn)行新陳代謝，促進(jìn)細胞生長(cháng)；通過(guò)構建藍藻及大腸桿菌的MSB,組裝了光能自養的MSBC，在沒(méi)有任何有機碳源的基礎培養基中，成功地維持了異養大腸桿菌MSB的生長(cháng)。

“MSBC平臺可以通過(guò)調整不同MSB的種類(lèi)、數量和培養體積來(lái)靈活、精確的調控群落結構并可輕松擴大規模。此外，MSBC平臺可以根據設計使用包含不同菌株或物種的各種MSB構建微生物群落，宿主微生物和封裝材料可以單獨設計或優(yōu)化，然后集成。”戴卓君說(shuō)道。

這些屬性使MSBC平臺具有高度的通用性和靈活性，可以用來(lái)設計定制功能復雜多樣的合成微生物群落，也可以通過(guò)簡(jiǎn)單地更換菌群中的MSC來(lái)改變和豐富群落功能。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-022-31467-1