新方法實現(xiàn)跨物種微生物群落可控組裝
◎丁寧寧 本報記者 劉傳書
自然界微生物群落發(fā)揮著重要作用。土壤中的微生物菌群在碳循環(huán)中發(fā)揮重要作用;腸道微生物菌群在代謝營養(yǎng)物質(zhì)和防止病原體入侵方面起著關(guān)鍵作用。
如何讓不同類型的微生物相互交流并行使更多的功能?
中科院深圳先進技術(shù)研究院合成生物所戴卓君團隊在人工合成微生物群落領(lǐng)域,針對跨物種菌群因為競爭關(guān)系難以穩(wěn)定共存的問題,提出了一種靈活、精確的策略及方法構(gòu)建穩(wěn)定的跨物種微生物群落。利用該方法靈活可控地組裝了多種合成菌群,并實現(xiàn)了菌群間的分工與通訊。
7月6日,該成果發(fā)表于《自然·通訊》,戴卓君為論文通訊作者,王林為論文第一作者,張曦及唐琛望對文章有重要貢獻。
人工構(gòu)建微生物群落
自然界微生物實現(xiàn)群落平衡的一種常用策略是空間分隔,即不同物種在空間上進行有序排布,可以行使分工與交流等群落功能,卻不互相干擾。
受此啟發(fā),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(MSB)。微球具有三維網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu),能允許營養(yǎng)物質(zhì)、信號分子和代謝物等小分子及蛋白質(zhì)等生物大分子的自由擴散,但會限制微球內(nèi)的微生物的運動。由于MSB具有相對獨立的生長空間和明確的承載上限,即使菌群中種群的分裂時間不匹配也可以平衡增長。
研究團隊分別構(gòu)建了大腸桿菌,釀酒酵母及畢赤酵母的MSB,并驗證了其可以在MSB環(huán)境下生長并表達目的蛋白或小分子,說明MSB環(huán)境中不同的微生物可以正常生長、代謝并行使特定的生物學(xué)功能。
“把微生物群落比喻為一個大部落,MSB就像一個小部落,代表一種微生物亞群,它能夠與其他MSB交互。將包含不同亞群的MSB進行組合,我們構(gòu)建了微生物群落(MSBC)?!蓖趿直硎尽?/p>
精準調(diào)控菌群比例
大腸桿菌可以快速、大量合成蛋白質(zhì),而釀酒酵母可以對復(fù)雜真核酶實現(xiàn)可溶性表達。如果將其共同培養(yǎng),組成菌群,能夠?qū)煞N微生物優(yōu)點最大化。
團隊首先構(gòu)建大腸桿菌和釀酒酵母的MSB,并通過調(diào)控兩種MSB的接種比例組裝了一系列MSBC。結(jié)果顯示,這兩個物種都分別在自己的MSB內(nèi)增殖,有明確的空間界限。調(diào)整兩個物種MSB的接種比例,可以精確調(diào)節(jié)菌群的組成。
研究人員組合出多種微生物群落并精確地調(diào)控了物種比例,例如由菌群組成的蝴蝶,翅膀上的“鱗片”就是不同物種的MSB(約400微米直徑的微球,不同的熒光代表不同的物種),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。
合成微生物群落應(yīng)用面廣
科研人員還對MSBC進行編程,不僅實現(xiàn)了合成生物群落的對話和通訊,同時展示了MSBC技術(shù)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用潛力和優(yōu)勢。
例如,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中過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磷廢物,對環(huán)境造成了巨大的危害。通過構(gòu)建MSBC,利用兩種物種分別降解抗生素和有機磷,能夠?qū)U水中的有害物質(zhì)進行有效降解。
在生物能源領(lǐng)域,使用藍藻和大腸桿菌設(shè)計構(gòu)建了光合自養(yǎng)的MSBC,光合自養(yǎng)的微生物藍藻可以利用CO2合成蔗糖。同樣,使用合成生物學(xué)工具改造的大腸桿菌可以將環(huán)境中的蔗糖運輸?shù)郊毎麅?nèi)進行新陳代謝,促進細胞生長;通過構(gòu)建藍藻及大腸桿菌的MSB,組裝了光能自養(yǎng)的MSBC,在沒有任何有機碳源的基礎(chǔ)培養(yǎng)基中,成功地維持了異養(yǎng)大腸桿菌MSB的生長。
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