新方法實現跨物種微生物群落可控組裝

自然界微生物群落髮揮著重要作用。土壤中的微生物菌群在碳迴圈中發揮重要作用；腸道微生物菌群在代謝營養物質和防止病原體入侵方面起著關鍵作用。

如何讓不同類型的微生物相互交流並行使更多的功能？

中科院深圳先進技術研究院合成生物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係難以穩定共存的問題，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。利用該方法靈活可控地組裝了多種合成菌群，並實現了菌群間的分工與通訊。

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

人工構建微生物群落

自然界微生物實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，研究人員構建了尺寸約為400微米，能夠包裹微生物的微球（MSB）。微球具有三維網狀交聯結構，能允許營養物質、信號分子和代謝物等小分子及蛋白質等生物大分子的自由擴散，但會限制微球內的微生物的運動。由於MSB具有相對獨立的生長空間和明確的承載上限，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，並驗證了其可以在MSB環境下生長並表達目的蛋白或小分子，説明MSB環境中不同的微生物可以正常生長、代謝並行使特定的生物學功能。

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

精準調控菌群比例 

大腸桿菌可以快速、大量合成蛋白質，而釀酒酵母可以對複雜真核酶實現可溶性表達。如果將其共同培養，組成菌群，能夠將兩種微生物優點最大化。

團隊首先構建大腸桿菌和釀酒酵母的MSB，並通過調控兩種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內增殖，有明確的空間界限。調整兩個物種MSB的接種比例，可以精確調節菌群的組成。

研究人員組合出多種微生物群落並精確地調控了物種比例，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

科研人員還對MSBC進行編程，不僅實現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勢。

例如，農業生産中過度使用獸藥和殺蟲劑，導致農業廢水存在大量抗生素和有機磷廢物，對環境造成了巨大的危害。通過構建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進行有效降解。

在生物能源領域，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，使用合成生物學工具改造的大腸桿菌可以將環境中的蔗糖運輸到細胞內進行新陳代謝，促進細胞生長；通過構建藍藻及大腸桿菌的MSB，組裝了光能自養的MSBC，在沒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。