一种实现跨物种微生物群落可控组装的新方法

自然界中的微生物群落起着重要的作用。土壤微生物区系在碳循环中起着重要作用；肠道菌群在代谢营养物质和防止病原体入侵方面起着关键作用。

不同类型的微生物如何相互交流，执行更多的功能？

中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所戴团队，针对跨物种微生物群落因竞争而难以稳定共存的问题，在人工合成微生物群落领域，提出了构建稳定的跨物种微生物群落的灵活精准的策略和方法。这种方法可以灵活可控地组装多种合成菌群，实现菌群之间的分工和交流。

7月6日，这一成果发表于《自然通讯》。戴是论文的作者，王林是论文的第一作者。和唐对该文作出了重要贡献。

人工微生物群落构建

自然界中实现微生物群落平衡的一种常见策略是空间分离，即不同物种在空间上有序排列，可以进行分工、交流等群落功能，但互不干扰。

受此启发，研究人员构建了尺寸约为400微米的微球(MSB)，可以包裹微生物。微球具有三维网络交联结构，可以允许营养物质、信号分子和代谢产物等小分子和蛋白质等生物大分子自由扩散，但可以限制微生物在微球中的运动。因为MSB有相对独立的生长空间和明确的承载上限，所以即使种群在区系中的分裂时间不匹配，也能均衡生长。

研究团队分别构建了大肠杆菌、酿酒酵母和毕赤酵母的MSB，并验证了它们能够在MSB环境中生长和表达目的蛋白或小分子，这表明MSB环境中的不同微生物能够正常生长、代谢和执行特定的生物学功能。

“把微生物群落比作一个大部落。MSB就像一个小部落，代表一个微生物亚群，可以和其他MSB相互作用。通过将msb与不同的亚组相结合，我们构建了一个微生物群落(MSBC)。”王林说。

准确调节菌群比例

大肠杆菌可以快速大量合成蛋白质，而酿酒酵母可以实现复杂真核酶的可溶性表达。如果共同培养形成菌群，可以最大限度发挥两种微生物的优势。

首先，团队构建了大肠杆菌和酿酒酵母的msb，并通过调整两种msb的接种比例组装了一系列MSBC。结果表明，这两个物种在它们的msb中增殖，具有明显的空间界限。调整两种菌种的MSB接种比例可以准确调整菌群组成。

研究人员结合了多种微生物群落，并精确调节了物种的比例。例如，蝴蝶是由植物群组成的。翅膀上的“鳞片”是不同物种的msb(直径400微米左右的微球，不同的荧光代表不同的物种)。MSBC技术可以任意组合不同的跨物种菌群，形成五彩缤纷的蝴蝶翅膀。

合成微生物群落被广泛使用。

研究人员还对MSBC进行了编程，不仅实现了合成生物群落的对话和交流，还展示了MSBC技术在各个领域的应用潜力和优势。

比如农业生产中兽药和农药的过量使用，导致农业废水中含有大量的抗生素和有机磷废弃物，对环境造成了极大的危害。通过构建MSBC，两个物种可以分别降解抗生素和有机磷，可以有效降解废水中的有害物质。

在生物能源领域，利用蓝藻和大肠杆菌设计并构建了光自养MSBC。光合自养微生物蓝藻可以利用CO2合成蔗糖。同样，经过合成生物学工具改造的大肠杆菌，可以将环境中的蔗糖转运到细胞中进行代谢，促进细胞生长；通过构建蓝藻和大肠杆菌的MSBs，组装了具有光能自养的MSBC，并对其进行了检测