合成微生物群落的構(gòu)建與應(yīng)用！
小楊 / 2021-03-18 08:59:02
百歐博偉生物：自然界中微生物群落的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，并且難以進行可重復(fù)、可控的擾動實驗。
合成微生物群落的研究方法遵循“設(shè)計-構(gòu)建-測試-學(xué)習(xí)”為核心的合成生物學(xué)理念，以人工設(shè)計和構(gòu)建的群落為實驗對象，結(jié)合定量模型和基因組測序等組學(xué)技術(shù)，探索微生物生態(tài)學(xué)的基本規(guī)律。
在應(yīng)用方面，基于合成群落的研究對于如何控制和改造復(fù)雜的微生物生態(tài)系統(tǒng)具有重要的指導(dǎo)意義，目標是通過構(gòu)建具有可控功能和穩(wěn)定性的微生物群落來解決人體健康、農(nóng)業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境治理等重要問題。
一、合成微生物群落的構(gòu)建
合成群落是指運用人工合成的方法按照群落中各成員的比例和數(shù)量精確添加微生物。人工合成微生物群落的設(shè)計方法有“自上而下（top-down）”和“自下而上（bottom-up）”兩種方法。
（1）“自上而下（top-down）”設(shè)計方法，常采用一定數(shù)量的環(huán)境變量（如內(nèi)外源擾動因素），嘗試預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)中微生物群落的變化、演替或恢復(fù)過程中的生態(tài)系統(tǒng)過程，以達到操縱最終所需的功能。
（2）“自下而上（bottom-up）”設(shè)計方法，以微生物群落代謝網(wǎng)絡(luò)及其產(chǎn)物為核心，突出其中的互作特點（如，協(xié)同、競爭作用等），在分子層面設(shè)計并優(yōu)化特定微生物群落的代謝特征，從單個微生物的基因組信息中所包含的代謝特征出發(fā)，運用自動化代謝網(wǎng)絡(luò)設(shè)計軟件和代謝反應(yīng)模型重建特定微生物群落的代謝網(wǎng)絡(luò)，并模擬其穩(wěn)定性。
二、造物致知：理解微生物組
構(gòu)建連接微生物結(jié)構(gòu)與生態(tài)功能的預(yù)測模型至關(guān)重要，但是，如何深入的理解微生物組實驗數(shù)據(jù)知識，并做出可靠的預(yù)測，是我們進一步改造微生物群落的關(guān)鍵。
這需要我們發(fā)展基于機制理解與受控實驗相結(jié)合的生態(tài)學(xué)模型，將生態(tài)理論與實驗數(shù)據(jù)結(jié)合，是發(fā)現(xiàn)微生物群落組成和生態(tài)功能設(shè)計性原理的關(guān)鍵。
現(xiàn)有研究方法分為三類：
1）從數(shù)據(jù)推斷物種間的相互作用；
2）通過化學(xué)計量模型預(yù)測物種間的相互作用；
3）利用微生物群體的動力學(xué)模型。
三、造物致用：改造微生物組
人們已經(jīng)對微生物組的改造進行了許多研究，其中包括人體微生物組的改造與應(yīng)用，人的腸道內(nèi)生活著多種微生物群落稱為腸道菌群。
腸道菌群與人的健康息息相關(guān)，越來越多研究表明，腸道微生物組的紊亂與消化道炎癥、免疫系統(tǒng)疾病、代謝失調(diào)等疾病有關(guān)，理論上可以通過調(diào)控腸道微生物組來實現(xiàn)對一些疾病的預(yù)防和治療。
與之相似的是對于植物微生物組的改造與應(yīng)用，植物微生物組對于植物抗逆和抗病蟲害過程發(fā)揮著重要作用，闡明群落互作特征與功能間的關(guān)系對定向調(diào)控植物微生物組，促進植物健康生長有著重要意義。
四、合成群落的穩(wěn)定性
生態(tài)穩(wěn)定性是理論生態(tài)學(xué)最基本的問題之一，了解群落的生態(tài)穩(wěn)定性，是改造和調(diào)控微生物群落必不可少的考慮因素。
其中，衡量生態(tài)穩(wěn)定性的一個重要指標是恢復(fù)能力，微生物群落受到環(huán)境擾動后，其恢復(fù)能力可用彈性和生態(tài)幅度來表示。
與恢復(fù)能力研究相比，越來越多的研究關(guān)注群落成員相互作用與抵抗入侵能力之間的關(guān)系。
五、展望
隨著合成微生物群落研究的不斷興起，一系列應(yīng)用和研究方法也隨之出現(xiàn)，展望未來，合成群落將成為我們理解和改造復(fù)雜微生物生態(tài)系統(tǒng)的重要手段。
在造物致知方面，基于合成群落的體系，深入理解微生物之間的相互作用、微生物群落的動力學(xué)性質(zhì)，以及在腸道、根際、水、土壤等不同生境的群落空間結(jié)構(gòu)，將為復(fù)雜微生物組的改造提供重要的科學(xué)依據(jù)，對于多樣性高，互作機制復(fù)雜的群落，通過研究合成群落的模式系統(tǒng)，揭示其背后的定量規(guī)律，從而指導(dǎo)我們對復(fù)雜系統(tǒng)的理解和改造；
在造物致用方面，利用合成微生物群落，調(diào)控微生物與宿主和環(huán)境之間的相互作用，從而改善宿主健康；
此外，合成微生物群落在工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境治理等方面也有重要的應(yīng)用。通過跨學(xué)科領(lǐng)域的交叉合作，有效結(jié)合高通量實驗數(shù)據(jù)與數(shù)學(xué)模型，運用合成生物學(xué)的設(shè)計-構(gòu)建-測試-學(xué)習(xí)的方法，將使我們向精確表征和調(diào)控微生物群落的目標更進一步。