自然界中，微生物發(fā)揮著重要作用。比如土壤中的菌群能促進(jìn)碳循環(huán)，腸道菌群能幫助代謝營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和防止病原體入侵。這些微生物通常以群落的方式存在。如果“跨群”交流，是否就能具備更多功能?

7月6日《自然·通訊》刊登了中科院深圳先進(jìn)院合成生物學(xué)研究所戴卓君團(tuán)隊(duì)的論文。該論文提出了一種靈活、精確的策略，構(gòu)建穩(wěn)定的跨物種微生物群落，并實(shí)現(xiàn)了菌群間的分工與通訊。

通常，微生物實(shí)現(xiàn)群落平衡的常用策略是空間分隔，即不同物種在空間上進(jìn)行有序排布，可以分工與交流，同時(shí)互不干擾。

受此啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種人工空間分隔方法。首先，研究人員構(gòu)建了尺寸約為400微米，能夠包裹微生物的微球，其三維網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)，能允許營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、信號(hào)分子等的自由擴(kuò)散，同時(shí)確保球內(nèi)的微生物“居民”平衡增長(zhǎng)。

隨后，團(tuán)隊(duì)分別構(gòu)建了大腸桿菌、釀酒酵母及畢赤酵母的微球，驗(yàn)證了在這個(gè)環(huán)境中，不同的微生物可以正常生長(zhǎng)、代謝。

“如果把微生物群落比喻為一個(gè)大部落，那么微球就像一個(gè)小部落，代表一種微生物亞群，它能夠與其他微球交互，將它們進(jìn)行組合，我們進(jìn)一步構(gòu)建了微生物群落(MSBC)。”團(tuán)隊(duì)成員王林表示。

大腸桿菌和釀酒酵母是實(shí)驗(yàn)室研究和工業(yè)應(yīng)用中使用最廣泛的兩種微生物，大腸桿菌可以快速、大量合成蛋白質(zhì)，而釀酒酵母可以對(duì)復(fù)雜真核酶實(shí)現(xiàn)可溶性表達(dá)。如果將其共同培養(yǎng)，組成菌群，能夠?qū)煞N微生物優(yōu)點(diǎn)最大化。

“然而，在實(shí)驗(yàn)室條件下，構(gòu)建跨物種微生物群落卻比培養(yǎng)單一菌株要困難得多，其中的最大原因是由于亞群之間營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消耗和生產(chǎn)速度不匹配。比如，大腸桿菌分裂一代需要20分鐘，而釀酒酵母的分裂時(shí)間為90到120分鐘。”王林說(shuō)道。

如果單純的混合培養(yǎng)會(huì)使生長(zhǎng)快速的物種迅速消耗掉營(yíng)養(yǎng)，成為群落中的優(yōu)勢(shì)者，從而淘汰掉生長(zhǎng)較慢的劣勢(shì)物種。相比之下，MSBC方法可以實(shí)現(xiàn)大腸桿菌和釀酒酵母兩個(gè)物種的穩(wěn)定培養(yǎng)以及成分的精準(zhǔn)調(diào)控。

通過(guò)簡(jiǎn)單地切換不同的微球，靈活組合形成不同的MSBC，可以創(chuàng)建一系列兼具靈活性和精度的組合。研究人員進(jìn)一步組合由菌群組成的蝴蝶，翅膀上的“鱗片”就是不同物種的微球,而MSBC技術(shù)可以任意拼裝不同的跨物種菌群，組成色彩斑斕的蝴蝶翅膀。

“MSBC技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)跨物種間的分工、通訊。”戴卓君說(shuō)道。

例如，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，由于過(guò)度使用獸藥和殺蟲劑，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)廢水存在大量抗生素和有機(jī)磷廢物，對(duì)環(huán)境造成了巨大的危害。研究人員通過(guò)構(gòu)建MSBC，利用兩種物種分別降解抗生素和有機(jī)磷，能夠?qū)U水中的有害物質(zhì)進(jìn)行有效降解。

據(jù)悉，戴卓君為論文通訊作者，課題組王林為論文第一作者，張曦及唐琛望也對(duì)文章作出了重要貢獻(xiàn)。(記者 袁斯茹)

關(guān)鍵詞： 菌群之間分工與通訊 深圳科學(xué)家 微生物交流群 腸道菌群