合成微生物群落的構建與應用！
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)絡結構非常復雜，并且難以進行可重復、可控的擾動實驗。
合成微生物群落的研究方法遵循“設計-構建-測試-學習”為核心的合成生物學理念，以人工設計和構建的群落為實驗對象，結合定量模型和基因組測序等組學技術，探索微生物生態(tài)學的基本規(guī)律。
在應用方面，基于合成群落的研究對于如何控制和改造復雜的微生物生態(tài)系統(tǒng)具有重要的指導意義，目標是通過構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、農業(yè)和工業(yè)生產、環(huán)境治理等重要問題。
一、合成微生物群落的構建
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）”設計方法，常采用一定數(shù)量的環(huán)境變量（如內外源擾動因素），嘗試預測生態(tài)系統(tǒng)中微生物群落的變化、演替或恢復過程中的生態(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）”設計方法，以微生物群落代謝網(wǎng)絡及其產物為核心，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)絡設計軟件和代謝反應模型重建特定微生物群落的代謝網(wǎng)絡，并模擬其穩(wěn)定性。
二、造物致知：理解微生物組
構建連接微生物結構與生態(tài)功能的預測模型至關重要，但是，如何深入的理解微生物組實驗數(shù)據(jù)知識，并做出可靠的預測，是我們進一步改造微生物群落的關鍵。
這需要我們發(fā)展基于機制理解與受控實驗相結合的生態(tài)學模型，將生態(tài)理論與實驗數(shù)據(jù)結合，是發(fā)現(xiàn)微生物群落組成和生態(tài)功能設計性原理的關鍵。
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）通過化學計量模型預測物種間的相互作用；
3）利用微生物群體的動力學模型。
三、造物致用：改造微生物組
人們已經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用，人的腸道內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，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、代謝失調等疾病有關，理論上可以通過調控腸道微生物組來實現(xiàn)對一些疾病的預防和治療。
與之相似的是對于植物微生物組的改造與應用，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系對定向調控植物微生物組，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能力，微生物群落受到環(huán)境擾動后，其恢復能力可用彈性和生態(tài)幅度來表示。
與恢復能力研究相比，越來越多的研究關注群落成員相互作用與抵抗入侵能力之間的關系。
五、展望
隨著合成微生物群落研究的不斷興起，一系列應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性質，以及在腸道、根際、水、土壤等不同生境的群落空間結構，將為復雜微生物組的改造提供重要的科學依據(jù)，對于多樣性高，互作機制復雜的群落，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，從而指導我們對復雜系統(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、環(huán)境治理等方面也有重要的應用。通過跨學科領域的交叉合作，有效結合高通量實驗數(shù)據(jù)與數(shù)學模型，運用合成生物學的設計-構建-測試-學習的方法，將使我們向精確表征和調控微生物群落的目標更進一步。