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【科技日报】新方法实现跨物种微生物群落可控组装

  自然界微生物群落发挥着重要作用。土壤中的微生物菌群在碳循环中发挥重要作用;肠道微生物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。

  如何让不同类型的微生物相互交流并行使更多的功能?

  中科院深圳先进技术研究院合成生物所戴卓君团队在人工合成微生物群落领域,针对跨物种菌群因为竞争关系难以稳定共存的问题,提出了一种灵活、精确的策略及方法构建稳定的跨物种微生物群落。利用该方法灵活可控地组装了多种合成菌群,并实现了菌群间的分工与通讯。

  7月6日,该成果发表于《自然·通讯》,戴卓君为论文通讯作者,王林为论文第一作者,张曦及唐琛望对文章有重要贡献。

  人工构建微生物群落

  自然界微生物实现群落平衡的一种常用策略是空间分隔,即不同物种在空间上进行有序排布,可以行使分工与交流等群落功能,却不互相干扰。

  受此启发,研究人员构建了尺寸约为400微米,能够包裹微生物的微球(MSB)。微球具有三维网状交联结构,能允许营养物质、信号分子和代谢物等小分子及蛋白质等生物大分子的自由扩散,但会限制微球内的微生物的运动。由于MSB具有相对独立的生长空间和明确的承载上限,即使菌群中种群的分裂时间不匹配也可以平衡增长。

  研究团队分别构建了大肠杆菌,酿酒酵母及毕赤酵母的MSB,并验证了其可以在MSB环境下生长并表达目的蛋白或小分子,说明MSB环境中不同的微生物可以正常生长、代谢并行使特定的生物学功能。

  “把微生物群落比喻为一个大部落,MSB就像一个小部落,代表一种微生物亚群,它能够与其他MSB交互。将包含不同亚群的MSB进行组合,我们构建了微生物群落(MSBC)。”王林表示。

  精准调控菌群比例

  大肠杆菌可以快速、大量合成蛋白质,而酿酒酵母可以对复杂真核酶实现可溶性表达。如果将其共同培养,组成菌群,能够将两种微生物优点最大化。

  团队首先构建大肠杆菌和酿酒酵母的MSB,并通过调控两种MSB的接种比例组装了一系列MSBC。结果显示,这两个物种都分别在自己的MSB内增殖,有明确的空间界限。调整两个物种MSB的接种比例,可以精确调节菌群的组成。

  研究人员组合出多种微生物群落并精确地调控了物种比例,例如由菌群组成的蝴蝶,翅膀上的“鳞片”就是不同物种的MSB(约400微米直径的微球,不同的荧光代表不同的物种),而MSBC技术可以任意拼装不同的跨物种菌群,组成色彩斑斓的蝴蝶翅膀。

  合成微生物群落应用面广

  科研人员还对MSBC进行编程,不仅实现了合成生物群落的对话和通讯,同时展示了MSBC技术在各个领域的应用潜力和优势。

  例如,农业生产中过度使用兽药和杀虫剂,导致农业废水存在大量抗生素和有机磷废物,对环境造成了巨大的危害。通过构建MSBC,利用两种物种分别降解抗生素和有机磷,能够对废水中的有害物质进行有效降解。

  在生物能源领域,使用蓝藻和大肠杆菌设计构建了光合自养的MSBC,光合自养的微生物蓝藻可以利用CO2合成蔗糖。同样,使用合成生物学工具改造的大肠杆菌可以将环境中的蔗糖运输到细胞内进行新陈代谢,促进细胞生长;通过构建蓝藻及大肠杆菌的MSB,组装了光能自养的MSBC,在没有任何有机碳源的基础培养基中,成功地维持了异养大肠杆菌MSB的生长。

(原载于《科技日报》 2022-07-08 01版)