在自然界中，微生物群落在多個(gè)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和防止病原體入侵方面發(fā)揮著關(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(guó)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(tuán)隊(duì)在人工合成微生物群落領(lǐng)域，針對(duì)跨物種菌群因?yàn)楦?jìng)爭(zhēng)關(guān)系難以穩(wěn)定共存的問(wèn)題，提出了一種靈活、精確的策略及方法構(gòu)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(shí)現(xiàn)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(duì)文章工作做出了重要貢獻(xiàn)。

從自然界“取經(jīng)” 構(gòu)建人工合成微生物群落

在自然界中，微生物實(shí)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(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(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種人工的空間分隔方法，構(gòu)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(xiàn)了菌群間的分工與通訊。

首先，研究人員構(gòu)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(jié)構(gòu)，能允許營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、信號(hào)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(kuò)散，但會(huì)限制微球內(nèi)的微生物的運(yùn)動(dòng)。由于MSB具有相對(duì)獨(dú)立的生長(zhǎng)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(zhǎng)。

研究團(tuán)隊(duì)分別構(gòu)建了大腸桿菌，釀酒酵母及畢赤酵母的MSB，并驗(yàn)證了其可以在MSB環(huán)境下生長(zhǎng)并表達(dá)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(zhǎng)、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(gòu)建了微生物群落(Microbial swarmbot consortia, MSBC)。”王林表示。

MSBC平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)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(jìn)行分工和交流；光合自養(yǎng)MSBC可以通過(guò)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(zhǎng)。

精準(zhǔn)調(diào)控菌群比例 構(gòu)建多物種群落

大腸桿菌和釀酒酵母是實(shí)驗(yàn)室研究和工業(yè)應(yīng)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(duì)復(fù)雜真核酶實(shí)現(xiàn)可溶性表達(dá)。如果將其共同培養(yǎng)，組成菌群，能夠?qū)煞N微生物優(yōu)點(diǎn)最大化。

“然而，在實(shí)驗(yàn)室條件下，構(gòu)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(yíng)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(shí)間為90到120分鐘。”王林說(shuō)道。

如果單純的混合共培養(yǎng)會(huì)使生長(zhǎng)快速的物種迅速消耗掉營(yíng)養(yǎng)，成為群落中的優(yōu)勢(shì)者，從而淘汰掉生長(zhǎng)較慢的劣勢(shì)物種。相比之下，MSBC方法可以實(shí)現(xiàn)大腸桿菌和釀酒酵母兩個(gè)物種的穩(wěn)定培養(yǎng)以及成分的精準(zhǔn)調(diào)控。

科研人員首先構(gòu)建了大腸桿菌和釀酒酵母的MSB，并通過(guò)調(diào)控兩種MSB的接種比例組裝了一系列MSBC。結(jié)果顯示，這兩個(gè)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(guò)調(diào)整兩個(gè)物種MSB的接種比例，可以精確調(diào)節(jié)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(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(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(yīng)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(xiàn)單一菌株無(wú)法完成的復(fù)雜功能。

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

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

例如，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，由于過(guò)度使用獸藥和殺蟲(chóng)劑，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)廢水存在大量抗生素和有機(jī)磷廢物，對(duì)環(huán)境造成了巨大的危害。研究人員通過(guò)構(gòu)建MSBC，利用兩種物種分別降解抗生素和有機(jī)磷，能夠?qū)U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(lán)藻和大腸桿菌設(shè)計(jì)構(gòu)建了光合自養(yǎng)的MSBC，光合自養(yǎng)的微生物藍(lán)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(yùn)輸?shù)郊?xì)胞內(nèi)進(jìn)行新陳代謝，促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)；通過(guò)構(gòu)建藍(lán)藻及大腸桿菌的MSB,組裝了光能自養(yǎng)的MSBC，在沒(méi)有任何有機(jī)碳源的基礎(chǔ)培養(yǎng)基中，成功地維持了異養(yǎng)大腸桿菌MSB的生長(zhǎng)。

“MSBC平臺(tái)可以通過(guò)調(diào)整不同MSB的種類(lèi)、數(shù)量和培養(yǎng)體積來(lái)靈活、精確的調(diào)控群落結(jié)構(gòu)并可輕松擴(kuò)大規(guī)模。此外，MSBC平臺(tái)可以根據(jù)設(shè)計(jì)使用包含不同菌株或物種的各種MSB構(gòu)建微生物群落，宿主微生物和封裝材料可以單獨(dú)設(shè)計(jì)或優(yōu)化，然后集成。”戴卓君說(shuō)道。

這些屬性使MSBC平臺(tái)具有高度的通用性和靈活性，可以用來(lái)設(shè)計(jì)定制功能復(fù)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