在自然界中，微生物群落在多個方面發(fā)揮著重要作用。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養(yǎng)物質(zhì)和防止病原體入侵方面發(fā)揮著關鍵作用。

如何讓不同類型的微生物相互交流并行使更多的功能？

中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所戴卓君團隊在人工合成微生物群落領域，針對跨物種菌群因為競爭關系難以穩(wěn)定共存的問題，提出了一種靈活、精確的策略及方法構建穩(wěn)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，并實現(xiàn)了菌群間的分工與通訊。

相關成果于北京時間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，微生物實現(xiàn)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，并實現(xiàn)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，能允許營養(yǎng)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，但會限制微球內(nèi)的微生物的運動。由于MSB具有相對獨立的生長空間和明確的承載上限。所以，即使菌群中種群的分裂時間不匹配也可以平衡增長。

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)境下生長并表達目的蛋白或小分子（大麻萜酚酸），說明MSB環(huán)境中不同的微生物可以正常生長、代謝并行使特定的生物學功能。

“如果把微生物群落比喻為一個大部落，那么MSB就像一個小部落，代表一種微生物亞群，它能夠與其他MSB交互。通過將包含不同亞群的MSB進行組合，我們進一步構建了微生物群落(Microbial swarmbot consortia, MSBC)。”王林表示。

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

精準調(diào)控菌群比例 構建多物種群落

大腸桿菌和釀酒酵母是實驗室研究和工業(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現(xiàn)可溶性表達。如果將其共同培養(yǎng)，組成菌群，能夠?qū)煞N微生物優(yōu)點最大化。

“然而，在實驗室條件下，構建跨物種微生物群落卻比培養(yǎng)單一菌株要困難得多，其中的最大原因是由于亞群之間營養(yǎng)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間為90到120分鐘。”王林說道。

如果單純的混合共培養(yǎng)會使生長快速的物種迅速消耗掉營養(yǎng)，成為群落中的優(yōu)勢者，從而淘汰掉生長較慢的劣勢物種。相比之下，MSBC方法可以實現(xiàn)大腸桿菌和釀酒酵母兩個物種的穩(wěn)定培養(yǎng)以及成分的精準調(diào)控。

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

通過簡單地切換不同的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。研究人員進一步組合出多種微生物群落并精確的調(diào)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，合成微生物群落在合成生物學研究領域中獲得了越來越多的關注，因其具有個體種群所不具備的特征和功能，從而使整個菌群可以實現(xiàn)單一菌株無法完成的復雜功能。

此外，科研人員使用合成生物學工具對MSBC進行編程，不僅實現(xiàn)了合成生物群落的對話和通訊，同時展示了MSBC技術在各個領域的應用潛力和優(yōu)勢。

“MSBC技術可以實現(xiàn)跨物種間的分工、通訊、乃至光能自養(yǎng)”戴卓君說道。

例如，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，由于過度使用獸藥和殺蟲劑，導致農(nóng)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。研究人員通過構建MSBC，利用兩種物種分別降解抗生素和有機磷，能夠?qū)U水中的有害物質(zhì)進行有效降解。

在生物能源領域，科研人員使用藍藻和大腸桿菌設計構建了光合自養(yǎng)的MSBC，光合自養(yǎng)的微生物藍藻可以利用CO2合成蔗糖。同樣，使用合成生物學工具改造的大腸桿菌可以將環(huán)境中的蔗糖運輸?shù)郊毎麅?nèi)進行新陳代謝，促進細胞生長；通過構建藍藻及大腸桿菌的MSB,組裝了光能自養(yǎng)的MSBC，在沒有任何有機碳源的基礎培養(yǎng)基中，成功地維持了異養(yǎng)大腸桿菌MSB的生長。

“MSBC平臺可以通過調(diào)整不同MSB的種類、數(shù)量和培養(yǎng)體積來靈活、精確的調(diào)控群落結構并可輕松擴大規(guī)模。此外，MSBC平臺可以根據(jù)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，可以用來設計定制功能復雜多樣的合成微生物群落，也可以通過簡單地更換菌群中的MSC來改變和豐富群落功能。

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