【LorMe周刊】微生物群落工程的新策略

作者：李婧璇，南京农业大学博士在读。主要研究合成微生物群落。 

周刊主要展示LorMe团队成员优秀周报，每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊为您介绍微生物群落工程的新策略。原文来自于2019年发表在Biotechnology Advances上的文章《Emerging strategies for engineering microbial communities》。

摘要

从生物合成到生物修复，微生物已被应用于各种生物技术。其中利用具有明确交互作用的多个种群组成的微生物组合的力量有着广阔的前景。微生物组合可以完成单一微生物很难或不可能完成的任务。尽管微生物组合潜力巨大，但人们对其如何维持和发挥功能的原则理解有限，这是由于在处理多种群交互时，复杂性的增加带来了巨大的挑战。文中回顾了自然和工程微生物群落分析的关键特征和设计策略。这些策略可以提供对自然组合的新见解，并扩展开发新型合成微生物组合的工具。

分工是微生物组合的关键特征

在不同种群执行不同任务的劳动分工中，微生物群落能够比单一种群以更高的效率完成任务。在生态环境中，劳动分工被定义为不同细胞的专业化和它们之间的合作，从而为群落提供广泛的利益。从工程学的角度来看，可以将劳动分工简单地定义为不考虑生态和进化后果的任务分离。然而，当合理构建时，劳动分工可以以多种方式促进组合的功能。

分工的优势在于：（1）分工通过将不同的步骤分给微生物群落的不同成员，从而为每个过程提供有利的自然或工程环境，可以将路径合理组织（图1A）。（2）通过分工，使得不同种群之间共同分担责任，可以减少每个种群的负担（图1B）。（3）将细胞过程划分为不同的种群可以增加系统的模块化。具体来说，可以独立地调整、修改或替换单个模块，而不影响其他功能（图1C）。

图1  分工是微生物群落的一个重要特征

设计稳定微生物群落的策略

为了更好的使用微生物群落，我们必须理解其中多个种群共存的方式，因为这是一个稳定的组合的最重要的要求。已有许多文献研究了众多自然和工程微生物组合的例子，并将它们的相互作用分为不同的共存机制。对这些机制的透彻了解可以作为新型微生物群落的设计策略。

策略一：资源分配。为了避免竞争排斥，不同物种通常占据不同的生态位，这一过程称为生态位分化。生态位分化的常见机制是资源分配，其中每个群落成员依赖于不同的营养物质或一组营养物质，因此没有两个种群直接竞争相同的代谢物（图2）。事实上，这种策略在自然群落中经常出现，因为单一营养物质通常不能维持群落中物种的多样性。资源分配也常用于设计合成微生物组合，因为它不仅维持了群落之间的共存，而且能提高了总生物量。

图2  资源分配可以通过减少不同物种之间对资源的竞争来维持共存

策略二：化学共生关系。种群之间的化学相互作用可以通过把不同物种的生存联系在一起，促进和稳定共存。交换的化学物质是可以是通过细胞代谢直接影响生长的典型的代谢物，也可以是通过细胞间信号传导诱导基因表达的小分子物质（图3A）。非代谢物化学物质也可用于实现互利系统（图3B），例如可以通过群体感应基因回路调节种群动态变化。

图3  化学相互作用可以使不同种群之间稳定共存

策略三：水平基因转移（Horizontal gene transfer, HGT）。HGT是微生物物种间遗传物质的非系谱转移，被认为是微生物进化的主要驱动力。这些可移动的基因通常编码新的代谢能力、抗生素抗性和毒性等功能，这些功能在特定条件下对宿主有利。通过对这些基因进行重组可以形成在不同生态位共存的各种表型，从而促进微生物群落的多样化和专业化。HTG可以通过保持合作特征来促进并维持种群间的稳定共存（图4）。

图4  水平基因转移(HGT)可以调节不同种群间的共存

策略四：高阶相互作用（higher-order interactions，HOIs）。对于某些群落，了解成员之间的成对交互可以对整体行为进行可靠的预测。然而，对于其他群落，考虑HOIs可能是至关重要的，以确保稳定的共存和功能。HOIs描述了当一个种群调节其他两个种群之间的相互作用时，种群之间存在的非加性相互作用（图5）。HOIs通过促进成员之间的共存，在某些情况下有利于设计稳定的微生物群落。例如，在一个由三名成员组成的群落中，第三个种群可以减弱两个敌对种群之间的负相互作用。

图5  两两交互作用仅用于描述群体间的直接交互作用（左图），而高阶相互作用描述的是两个种群之间的相互作用被一个或多个其它种群调节(右图)

策略五：空间结构。在自然界中，微生物群落通常分布在不同的生态位中，占据不同的空间。空间结构可以通过生态位分化减少对资源的竞争，确保适应性较低的成员的生存，并/或提高对环境胁迫的整体适应能力，从而在微生物群落中实现稳定共存（图6）。为此，研究人员使用了各种物理分离技术，包括微流控设备、生物打印等，来研究空间结构是如何影响多物种之间的相互作用以及整个群落的功能。

图6  空间组织可以将不同的种群分离到不同的生态位以维持共存

总结

关于设计稳定微生物组合的许多研究都集中于解决不同物种或菌株之间的共存问题。为此，已采用了许多策略来促进合作或减少种群的竞争。此外，微生物群落另一个关键因素是群落的组分和功能面对扰动时的稳定性。这包括群落在出现扰动下自身维持的能力（称为抵抗力）以及在受到扰动后恢复其原始状态的能力（称为弹性）。并且不同的群落在抵御各种扰动方面例如养分利用率的变化、环境条件的变化以及剥削性“欺骗者”群体的入侵，表现出不同程度的稳定性。

微生物群落的稳定性对于生物技术应用仍然是一个尚未解决的问题。特别是工程组合，根据起始条件，表现出明显不同的行为，这就需要更好控制和准确测定它们的方法。另外，微生物群落复杂性的增加可能破坏该群落的稳定性，降低其固有稳定性和其承受扰动的能力。作者推测一个群落的稳定与否取决于群落的结构以及周围的环境条件。为此，需要进一步的工作来研究和量化影响各种自然或工程组合稳定性的因素，进而得到微生物组合关键的设计原则，有助于指导应用于工业和/或医疗应用的新型群落的工程设计。

论文ID

原名：Emerging strategies for engineering microbial communities

期刊：Biotechnology Advances (2019) 

IF：12.831

发表时间：2019.03

通讯作者：Ryan Tsoi

通讯作者单位：杜克大学生物医学工程系

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