mLife | 工程微生物组的理性设计原理及其在环境领域中的应用与展望

上海交通大学唐鸿志教授与北京大学聂勇副研究员等的合作综述“Guided by the principles of microbiome engineering: Accomplishments and perspectives for environmental use”于2022年11月3日在mLife正式上线。该综述由上海交通大学、北京大学和苏黎世联邦理工学院的青年学者共同完成，并得到了北京大学吴晓磊教授的大力支持。该文回顾了近年来微生物组工程理论方面的前沿研究，以及在环境领域中的经典应用，并对未来的研究思路进行了展望。

文章导读

人工构建微生物组在人类健康、环境修复、工业生产等重要领域具有巨大的应用潜力，但依然存在不少瓶颈问题。为解决这些问题，近年来一些研究者提出应用生态学理论和定量技术对群落的组装和功能进行精确预测，并基于此调控或从头设计微生物组，即“微生物组工程”。回顾并整合最前沿的理论技术与应用成果，将有助于解决这些瓶颈问题，推动微生物组工程研究的发展。

核心内容速览

微生物组工程的理论研究

文章首先回顾了近期微生物组工程领域的重要理论成果，即通过“自下而上”和“自上而下”的设计策略，以及“design-build-test-learn”(DBTL)循环，实现工程微生物组的理性设计（图1）。随后，文章基于最新的研究成果，详细归纳了如何基于天然菌株或工程菌株“自下而上”地构建工程微生物组，以及通过直接富集（enrichment）、人工筛选（artificial selection）和定向进化（directed evolution）3种策略，“自上而下”地构建工程微生物组。文章还总结了多种数学模型在微生物组工程中的应用案例，并分析了各类模型的优劣势和使用范围。

图1 结合DBTL循环的两种微生物组工程设计策略（“自下而上”和“自上而下”）

微生物组工程在环境领域的应用与展望

结合上述理论研究，文章还总结了“自下而上”和“自上而下”两种策略在环境领域中的应用成果。重点讨论了“自下而上”策略中代谢分工理论在构建高效降解微生物组方面的优势、瓶颈和发展趋势；以及“自上而下”策略中人工筛选和定向进化两种方法在筛选高效降解菌群方面的巨大潜力。最后，基于目前环境领域应用中的瓶颈问题，总结了一套将“自上而下”与“自下而上”两种策略串联的研究思路（图2）。针对微生物组工程在环境领域的应用，文章提出，污染物降解工程微生物组的设计须避免对人体健康有害有毒中间体的积累，并基于此提出了多条新的设计策略。

图2 “自上而下”+“自下而上”的串联研究思路示意图

总结展望

综上所述，通过微生物组工程研究，可以理性设计高效、稳定、安全、可预测的微生物组。而在将来，我们应该进一步研究如何调控环境因素，设计微生物相互作用和编辑菌株特性，理性设计工程微生物组，使其发挥更理想的功能。我们还应在更复杂的原位环境条件下检验微生物组工程理论的可行性，从而推动更多定量理论与技术的发展，并指导未来微生物组工程的研究。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/mlf2.12043

引用本论文：Hu H, Wang M, Huang Y, Xu Z,Xu P, Nie Y, et al. Guided by the principles of microbiome engineering: Accomplishments and perspectives for environmental use. mLife. 2022.

https://doi.org/10.1002/mlf2.12043