【LorMe周刊】如何获得理想的微生物组
作者：李婧璇，南京农业大学博士在读，主要研究营养资源对根际有益菌群抑病力的影响。
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！本期周刊为你介绍如何获得理想的微生物组。
名称：Common principles and best practices for engineering microbiomes
期刊：Nature Reviews Microbiology
IF：34.684
发表时间：2019/09
作者：Christopher E. Lawson
作者单位：威斯康星大学麦迪逊分校土木与环境工程学院
本文提出了一种结合设计、构建、测试和学习（design-build-test-learn，DBTL）的循环（图1），并介绍了DBTL循环的关键要素，包括自上而下和自下而上的设计过程、合成和自组装的构建方法，以及分析微生物组功能的新兴工具。此外，还讨论了目前该方法的主要挑战和未来研究方向，并将它们作为微生物组工程的最佳操作指南。并且预期DBTL循环将迅速推动以微生物为基础的生物技术，改善人类和动物健康，推动农业发展并促进生物经济。
图1 微生物组工程中DBTL循环
设计微生物组（design）
主要有两种方法：
自上而下（top-down），即通过调节生态系统水平来构建具有预期功能的微生物群落。在此方法中可以使用特定的化学计量参数和动力学参数进行建模以表示微生物的关键生理功能，获得微生物群落功能。
自下而上（bottom-up），即通过预测代谢网络和相互作用构建具有所需功能的微生物群落。通常该方法的设计过程是获得单个微生物（特别是已知的关键物种）的基因组，重建它们的代谢网络，使用模型和/或网络分析进行设计。
未来成功的微生物群落设计需要自上而下和自下而上方法的合理结合，选择未知群落或已有组合，将两种方法构建的模型合并，以实现期望的功能。
图2 自上而下和自下而上设计微生物群落的方法
构建微生物组（build）
构建阶段对应也分为两种：
自组装微生物组（self-assembled microbiomes），通过自上而下操作自然群落，使用反应器工程(例如，废水处理生物反应器)或生物刺激(例如，添加到土壤或地下含水层)开放混合培养的微生物群落，其中，环境可以促进微生物进行生长和预期的生理活动。
合成微生物组（synthetic microbiomes），自下而上使用自然产生或工程微生物组装设计的微生物组。合成微生物组复杂性大大降低，使用遗传上易于处理的微生物进行组合，通过实验室试验确定功能，再添加到环境中。
合理的微生物组设计的最终目标是开发能让设计者在理想的操作条件下直接原位添加、删除或修改特定功能和表型的工具。原位宏基因组设计与CRISPR-CAS基因编辑技术的结合的进一步发展将能精确操作原位微生物的代谢网络，有效地结合自组装和合成的微生物组。
图3 构建自组装和合成微生物群落
检测微生物功能（test）
检测阶段包括测定微生物组相关的表型和特性，以确保设计构建方案的有效性，例如是否达到设计预期，以及是否与观察到的结果有关联 (建立因果关系)。这通常需要了解生态系统的理化性质和关键生态系统过程及微生物功能化学计量学和动力学。文中设想了一个测试阶段，包括对微生物组设计-构建的解决方案进行高通量表型筛选，使用多组学和代谢通量分析对有可能的设计方案进行更深入的研究，了解潜在的机制。高通量表型检测可以使用微流体液滴系统和全自动微生物反应器平台。结合新兴的检测方式来测定代谢网络活动和代谢过程，将获得丰富的信息，有利于后续的学习阶段。
图4 检测微生物群落功能
DBTL循环的学习阶段对于成功设计并提高微生物组效率至关重要，它要求从以前的设计、构建和测试阶段的经验中学习，并将新知识纳入后续的循环。此外还需要进一步发展计算方法，包括机器学习算法、代谢通量分析、生态系统建模方法等。这些分析可以从大型数据中分离出微生物群落相互作用和功能的主要驱动因素，从而为微生物群落设计提供信息。
近年来，人们开发了实验室模拟生态系统来研究植物与土壤微生物的相互作用，这样就可以使用一种可控的方式，设计具有所需功能的工程微生物群落，并能够将实验室结果与自然环境下结果进行比较。实验室模拟生态系统与DBTL循环的结合对于理解微生物相互作用和功能稳定性的机制十分重要。通过使用实验室模拟生态系统，结合现有的微生物生态学和工程设计知识，有可能破译微生物群落的化学语言，发现其他重要生态过程的机制，从而使微生物群落功能更加强大和稳定。
图5 学习微生物工程的基本原则
展望
微生物组工程真正推进将需要大量DBTL循环，以得到必要的生态原理，精确操控微生物组，并获得可预期结果。为了推进DBTL方法，需要实验、计算、自动化和应用等领域跨学科合作。鉴于对微生物生态学的初步认识，微生物组工程的道路似乎还很漫长；然而，围绕DBTL循环研究和技术的开发为推进微生物工程、解决紧迫的社会和环境问题提供了一种有前景的方法。