自然界微生物群落發(fā)揮著重要作用。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起著關(guān)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？

中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物所戴卓君團(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。利用該方法靈活可控地組裝了多種合成菌群，并實(shí)現(xiàn)了菌群間的分工與通訊。

7月6日，該成果發(fā)表于《自然·通訊》，戴卓君為論文通訊作者，王林為論文第一作者，張曦及唐琛望對(duì)文章有重要貢獻(xiàn)。

人工構(gòu)建微生物群落

自然界微生物實(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。

受此啟發(fā)，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（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，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，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。

“把微生物群落比喻為一個(gè)大部落，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。將包含不同亞群的MSB進(jìn)行組合，我們構(gòu)建了微生物群落（MSBC）。”王林表示。

精準(zhǔn)調(diào)控菌群比例 

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。

團(tuán)隊(duì)首先構(gòu)建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，有明確的空間界限。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。

研究人員組合出多種微生物群落并精確地調(diào)控了物種比例，例如由菌群組成的蝴蝶，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

科研人員還對(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)。

例如，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中過(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。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，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)。