南京農業大學在《Nature Communications》發表合成微生物菌群構建新方法

微生物菌羣廣泛存在於自然界中，在地球上幾乎所有的生物地球化學循環中扮演着重要角色。例如，在自然環境中有機污染物的降解往往不是由單一菌株獨立完成的，而是需要微生物菌羣通過代謝互作來實現。因此，基於微生物菌羣內相互作用關係的合成微生物羣落，相比單一菌株，能夠以更高的效率執行更復雜的任務，在工業、健康和環境領域具有廣闊應用前景。然而這些菌羣之間複雜的相互作用使得其內在互作機制難以解析，且菌羣代謝互作分析和檢測工具的不足也使得微生物菌羣的實際應用困難重重。

近日，南京農業大學在Nature子刊《Nature Communications》在線發表了題爲“Engineering natural microbiomes toward enhanced bioremediation by microbiome modeling”的研究論文。該研究結果爲理解和工程化操縱自然微生物菌羣以增強其功能開闢了新途徑。

重新組裝是微生物菌羣適應環境變化和干擾的有效策略。因此，通過施加特定的外部選擇壓力對初始微生物菌羣進行馴化，從而促進菌羣向特定功能方向重組組裝，是一種有效的“自上而下”策略，可以獲得具有特定功能的微生物菌羣，進而從天然微生物菌羣中識別關鍵微生物（keystone）。在此基礎上，採用“自下而上”策略，通過菌羣代謝模型技術模擬不同keystone組合的代謝活性，預測最佳菌株組合並進行實驗進行驗證，最終獲得高效合成微生物菌羣。據此，研究提出了一種“自上而下”和“自下而上”相結合的方法，可以有效改造自然微生物菌羣，設計構建功能增強的合成微生物菌羣（圖1）。

爲了有效模擬不同菌株組合的代謝活性，研究開發了一個基於微生物組代謝模型技術（microbiome modeling）的最佳功能菌株組合設計工具SuperCC。該工具能夠模擬不同營養環境下不同菌羣的代謝活性，解析不同菌株間的代謝相互作用。利用SuperCC，研究者基於天然微生物菌羣中識別出的18個keystone，構建了用於生物修復的污染物代謝效率增強的合成菌羣。本研究的結果強調了代謝相互作用在塑造微生物組功能中的關鍵作用，併爲天然微生物組的工程設計提供了實用的指導。該工具對目標菌株的數量沒有限制，因此同時適用於簡單和複雜菌羣的代謝模型分析。值得注意的時，SuperCC同時提供了一種新的合成細胞設計策略，即鑑定微生物菌羣代謝網絡中的關鍵反應，設計優化合成細胞代謝通路，使合成細胞擁有合成菌羣的代謝能力（圖2）。SuperCC相關原代碼已上傳至GitHub在線軟件源代碼託管服務平臺，具體內容參見以下網址https://github.com/ruanzhepu/superCC.git。此次在Nature Communications上發表的研究成果是合成菌羣研究領域的又一重要研究進展。

已畢業博士阮哲璞（目前爲華南農大博士後）和陳凱副教授爲該論文共同第一作者，徐希輝教授、蔣建東教授和高彥徵教授爲論文共同通訊作者，南京農業大學爲第一署名單位。研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的資助。