【LorMe周刊】科学通报：合成微生物群落的构建与应用
合成微生物群落是当前研究的热点，本文主要从造物致知、造物致用两方面，回顾了现有合成微生物群落的构建方法与理论基础，以及合成群落潜在的应用方向，并对运用合成生物学手段在这一领域的应用前景进行展望。原文来自于2021年发表在科学通报上的文章《合成微生物群落的构建与应用》，由中科院先进院戴磊研究员等人共同撰写，LorMe实验室韦中教授也参与了写作。本文由2020级博士研究生孙天宇整理。
自然界中微生物群落的生态网络结构非常复杂，并且难以进行可重复、可控的扰动实验。在实验室里通过“自下而上”的方式构建起来的合成群落具有适中的复杂度和较高的可控性（图1），可以作为数学模型和复杂生态系统研究之间的桥梁。合成微生物群落的研究方法遵循“设计-构建-测试-学习”为核心的合成生物学理念，以人工设计和构建的群落为实验对象，结合定量模型和基因组测序等组学技术，探索微生物生态学的基本规律。在应用方面，基于合成群落的研究对于如何控制和改造复杂的微生物生态系统具有重要的指导意义，目标是通过构建具有可控功能和稳定性的微生物群落来解决人体健康、农业和工业生产、环境治理等重要问题。
图1 “自下而上（bottom-up）”设计理念
合成群落是指运用人工合成的方法按照群落中各成员的比例和数量精确添加微生物。人工合成微生物群落的设计方法有“自上而下（top-down）”和“自下而上（bottom-up）”两种方法。
（1）“自上而下（top-down）”设计方法，常采用一定数量的环境变量（如内外源扰动因素），尝试预测生态系统中微生物群落的变化、演替或恢复过程中的生态系统过程，以达到操纵最终所需的功能。（2）“自下而上（bottom-up）”设计方法，以微生物群落代谢网络及其产物为核心，突出其中的互作特点（如，协同、竞争作用等），在分子层面设计并优化特定微生物群落的代谢特征，从单个微生物的基因组信息中所包含的代谢特征出发，运用自动化代谢网络设计软件和代谢反应模型重建特定微生物群落的代谢网络，并模拟其稳定性。
构建连接微生物结构与生态功能的预测模型至关重要，但是，如何深入的理解微生物组实验数据知识，并做出可靠的预测（图2），是我们进一步改造微生物群落的关键。这需要我们发展基于机制理解与受控实验相结合的生态学模型，将生态理论与实验数据结合，是发现微生物群落组成和生态功能设计性原理的关键。现有研究方法分为三类：1）从数据推断物种间的相互作用；2）通过化学计量模型预测物种间的相互作用；3）利用微生物群体的动力学模型。
人们已经对微生物组的改造进行了许多研究，其中包括人体微生物组的改造与应用，人的肠道内生活着多种微生物群落称为肠道菌群。肠道菌群与人的健康息息相关（图3），越来越多研究表明，肠道微生物组的紊乱与消化道炎症、免疫系统疾病、代谢失调等疾病有关，理论上可以通过调控肠道微生物组来实现对一些疾病的预防和治疗。与之相似的是对于植物微生物组的改造与应用，植物微生物组对于植物抗逆和抗病虫害过程发挥着重要作用，阐明群落互作特征与功能间的关系对定向调控植物微生物组，促进植物健康生长有着重要意义。
图3 造物致用：调控宿主与共生微生物的互作,改善宿主健康
生态稳定性是理论生态学最基本的问题之一，了解群落的生态稳定性，是改造和调控微生物群落必不可少的考虑因素。其中，衡量生态稳定性的一个重要指标是恢复能力，微生物群落受到环境扰动后，其恢复能力可用弹性和生态幅度来表示（图4）。与恢复能力研究相比，越来越多的研究关注群落成员相互作用与抵抗入侵能力之间的关系。
随着合成微生物群落研究的不断兴起，一系列应用和研究方法也随之出现，展望未来，合成群落将成为我们理解和改造复杂微生物生态系统的重要手段。在造物致知方面，基于合成群落的体系，深入理解微生物之间的相互作用、微生物群落的动力学性质，以及在肠道、根际、水、土壤等不同生境的群落空间结构，将为复杂微生物组的改造提供重要的科学依据，对于多样性高，互作机制复杂的群落，通过研究合成群落的模式系统，揭示其背后的定量规律，从而指导我们对复杂系统的理解和改造；在造物致用方面，利用合成微生物群落，调控微生物与宿主和环境之间的相互作用，从而改善宿主健康；此外，合成微生物群落在工业生产、环境治理等方面也有重要的应用。通过跨学科领域的交叉合作，有效结合高通量实验数据与数学模型，运用合成生物学的设计-构建-测试-学习的方法，将使我们向精确表征和调控微生物群落的目标更近一步。
全文链接：
https://doi.org/10.1360/TB-2020-0487