在自然界中，微生物群落在多个方面施展着主要作用。如土壤中的微生物菌群在碳循环中施展主要作用；肠道微生物菌群在代谢营养物质和避免病原体入侵方面施展着要害作用。

怎样让差别类型的微生物相互交流并行使更多的功效？

中国科学院深圳先进手艺研究院合成生物学研究所戴卓君团队在人工合成微生物群落领域，针对跨物种菌群由于竞争关系难以稳固共存的问题，提出了一种无邪、准确的战略及要领构建稳固的跨物种微生物群落。并使用该要领无邪且可控的组装了多种合成菌群，并实现了菌群间的分工与通讯。

相关效果于北京时间2022年7月6日揭晓于《自然—通讯》，戴卓君为论文通讯作者，课题组王林为论文第一作者，张曦及唐琛望也对文章事情做出了主要孝顺。

从自然界“取经” 构建人工合成微生物群落

在自然界中，微生物实现群落平衡的一种常用战略是空间脱离，即差别物种在空间上举行有序排布，可以行使分工与交流等群落功效，却不相互滋扰。

受大自然的启发，研究团队开发了一种人工的空间脱离要领，构建差别物种的微部落，从而组装多物种的合成微生物群落，该战略无邪且可控的组装了多种合成菌群，并实现了菌群间的分工与通讯。

首先，研究职员构建了尺寸约为400微米，能够包裹微生物的微球(Microbial swarmbot, MSB)。微球具有三维网状交联络构，能允许营养物质、信号分子和代谢物等小分子及卵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具有相对自力的生长空间和明确的承载上限。以是，纵然菌群中种群的破碎时间不匹配也可以平衡增添。

研究团队划分构建了大肠杆菌，酿酒酵母及毕赤酵母的MSB，并验证了其可以在MSB情形下生长并表达目的卵白或小分子（大麻萜酚酸），说明MSB情形中差别的微生物可以正常生长、代谢并行使特定的生物学功效。

“若是把微生物群落比喻为一个大部落，那么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。通过将包括差别亚群的MSB举行组合，我们进一步构建了微生物群落(Microbial swarmbot consortia, MSBC)。”王林体现。

MSBC平台可实现多种应用，例如，简单物种的MSBC可以配合制造多酶系统；MSBC的差别微生物可以举行分工和交流；光合自养MSBC可以通过光养型微生物将二氧化碳转化为碳源，以维持异养型微生物的生长。

精准调控菌群比例 构建多物种群落

大肠杆菌和酿酒酵母是实验室研究和工业应用中使用最普遍的两种微生物，大肠杆菌可以快速、大宗合成卵白质，而酿酒酵母可以对重大真核酶实现可溶性表达。若是将其配合作育，组成菌群，能够将两种微生物优点最大化。

“然而，在实验室条件下，构建跨物种微生物群落却比作育简单菌株要难题堪多，其中的最大缘故原由是由于亚群之间营养物质的消耗和生产速率不匹配。好比，大肠杆菌破碎一代需要20分钟，而酿酒酵母的破碎时间为90到120分钟。”王林说道。

若是纯粹的混淆共作育会使生长快速的物种迅速消耗掉营养，成为群落中的优势者，从而镌汰掉生长较慢的劣势物种。相比之下，MSBC要领可以实现大肠杆菌和酿酒酵母两个物种的稳固作育以及因素的精准调控。

科研职员首先构建了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。效果显示，这两个物种都划分在自己的MSB内增殖，并且物种间有明确的空间界线，并且通过调解两个物种MSB的接种比例，可以准确调理菌群的组成。

通过简朴地切换差别的MSB，无邪组合形成差别的MSBC，可以建设一系列兼具无邪性和精度的组合。研究职员进一步组合出多种微生物群落并准确的调控了物种比例，例如这只由菌群组成的蝴蝶，同党上的“鳞片”就是差别物种的MSB（约400微米直径的微球，差别的荧光代表差别的物种）,而MSBC手艺可以恣意拼装差别的跨物种菌群，组成色彩美丽的蝴蝶同党。

合成微生物群落 应用面广

近年来，合成微生物群落在合成生物学研究领域中获得了越来越多的关注，因其具有个体种群所不具备的特征和功效，从而使整个菌群可以实现简单菌株无法完成的重大功效。

别的，科研职员使用合成生物学工具对MSBC举行编程，不但实现了合成生物群落的对话和通讯，同时展示了MSBC手艺在各个领域的应用潜力和优势。

“MSBC手艺可以实现跨物种间的分工、通讯、以致光能自养”戴卓君说道。

例如，在农业生产中，由于太过使用兽药和杀虫剂，导致农业废水保存大宗抗生素和有机磷废物，对情形造成了重大的危害。研究职员通过构建MSBC，使用两种物种划分降解抗生素和有机磷，能够对废水中的有害物质举行有用降解。

在生物能源领域，科研职员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使用CO2合成蔗糖。同样，使用合成生物学工具刷新的大肠杆菌可以将情形中的蔗糖运输到细胞内举行新陈代谢，增进细胞生长；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作育基中，乐成地维持了异养大肠杆菌MSB的生长。

“MSBC平台可以通过调解差别MSB的种类、数目和作育体积来无邪、准确的调控群落结构并可轻松扩大规模。别的，MSBC平台可以凭证设计使用包括差别菌株或物种的种种MSB构建微生物群落，宿主微生物和封装质料可以单独设计或优化，然后集成。”戴卓君说道。

这些属性使MSBC平台具有高度的通用性和无邪性，可以用来设计定制功效重大多样的合成微生物群落，也可以通过简朴地替换菌群中的MSC来改变和富厚群落功效。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-022-31467-1