北京大学工学院吴晓磊、聂勇课题组在Cell子刊揭示微生物组工程新策略_科研信息_学术资讯

当前位置：首页 >> 学术资讯 >> 科研信息

第二届智能医疗与可穿戴智能设备国际学术会议（SHWID 2025）

第五届信号处理与通信技术国际学术会议（SPCT 2025）

第五届文化、设计与社会发展国际学术会议(CDSD 2025)

2025电子信息、计算机与空天遥感国际会议（EICARS 2025）

第六届材料化学与复合材料国际学术会议（MCCM 2025）

第六届新能源与电气科技国际学术研讨会 (ISNEET 2025)

第七届国际科技创新学术交流大会暨新能源科学与电力工程国际学术会议（NESEE 2025）

第五届高性能计算、大数据与通信工程国际学术会议(ICHBC 2025)

第五届计算机、物联网与控制工程国际学术会议（CITCE 2025)

第七届国际科技创新学术交流大会（IAECST 2025）

2025年艺术、教育和管理国际学术会议（ICAEM 2025）- 第七期

2025年具身智能与大模型国际学术会议（EILM 2025）

2025第二届模式识别与图像分析国际学术会议（PRIA 2025）

第二届无人系统与自动化控制国际学术会议（ICUSAC 2025）

第二届光电科学与智能传感国际学术会议 (ICOIS 2026)

第五届电子信息与通信工程国际学术会议(EICE 2026)

北京大学工学院吴晓磊、聂勇课题组在Cell子刊揭示微生物组工程新策略

2024/03/21

梁任公言：“无专精则不能成，无涉猎则不能通也。”治学需要专精和博学的辩证统一，匠人精神和兼修之道并行。各行各业的匠人通过分工协作，共同推动了生产力的发展。博学则拓宽了匠人的思维边界，激发了创新变革。在个人治学与事业中，“专”与“博”的权衡取舍贯穿始终。无数个人的不断权衡决定了社会发展的脉络。

同理，微生物社会的和谐发展和高效产出，也需要无数微生物“匠人”的分工协同。人类社会中“专”与“博”辩证统一的社会学原理是否可以应用到微生物社会中？1月17日，Cell子刊Cell Systems刊发了北京大学工学院吴晓磊教授、聂勇课题组的最新研究成果“The trade-off between individual metabolic specialization and versatility determines the metabolic efficiency of microbial communities”。研究结合微生物群落高通量培养实验、数学模型仿真和生物信息学分析，揭示了微生物代谢水平“专”与“博”的权衡如何决定微生物社会的生产力。

课题组以降解复杂有机物的代谢分工群落作为研究对象。在这类群落中，微生物呈现出多种社会组织形式。在完全代谢分工群落中，每个种群专一于降解途径中的一个特定步骤，如同只具有一种功能的瑞士军刀，呈现出极端的“专一”代谢状态。相比之下，一个“超级菌株”种群可以独自完成代谢途径中的所有步骤，如同一个具有复杂功能的瑞士军刀，具备一种极端“广博”的代谢能力。然而，本研究通过大量的合成群落培养实验分析表明，效率最高的群落组织形式，既不是极端“专一”的完全代谢分工群落，也不是极端“广博”的“超级菌株”，而是介于两种极端情形的某些中间状态：在一些分工群落中，每个种群不只单一从事一项代谢任务，也不像“超级菌株”完全负责所有任务，而是完成多个非全部的代谢任务，这些种群组成了一种具有功能冗余的代谢分工模式。这种高效性由三个重要因素，即每个种群的平均代谢负担、代谢能力和代谢物转运效率，之间的相互权衡决定。通过数学模型分析，研究进一步提出了针对不同代谢途径时，选择和构建最高效分工模式的简化策略。生物信息学分析则指出，这类具有功能冗余的代谢分工模式，可能是自然界中微生物群落降解复杂有机物的主要形式。这些研究结果表明，一个高效微生物群落中的每个个体也需要“专精和博学的辩证统一”，即在专一于某一项代谢功能的同时，也需要兼顾其他功能，但不必成为全才。这一发现为构建高效的合成微生物组提供了全新的策略。

个体代谢专一性与多功能性的权衡决定微生物群落的效率

文章匿名审稿人指出：“这项工作针对不同模式代谢分工群落的优缺点进行了迄今为止最全面的研究......它是一项里程碑式的研究，展现了微生物代谢分工以及微生物组工程的强大魅力。”同时，本研究是吴晓磊、聂勇课题组针对微生物群落分工协作关系，取得的又一重要突破。课题组前期已在Cell Reports、ISME J、mLife等杂志上发表了一系列研究成果：（1）揭示了在具有空间结构的环境中，微生物分工演化形成的条件（Wang et al, ISME J, 2021：https://doi.org/10.1038/s41396-020-00858-x）；（2）提出了代谢分工群落稳定性和组装的定量规则（Wang et al., Cell Reports, 2022：https://doi.org/10.1016/j.celrep.2022.111410）；（3）阐明了底物特性调控代谢分工群落构建的定量原则（Wang et al., mLife, 2022：https://doi.org/10.1002/mlf2.12025）；（4）揭示了代谢分工群落的空间组装规律（Wang et al., Microbiology Spectrum, 2022：https://doi.org/10.1128/spectrum.01944-21）；（5）揭示了代谢通量调控代谢分工群落构建的定量原则（Chen et al., ACS Synthetic Biology, 2023：https://doi.org/10.1021/acssynbio.3c00022）；

本文第一作者是工学院2021届博士王淼啸（目前在瑞士苏黎世联邦理工学院从事博士后研究），吴晓磊、聂勇为本文共同通讯作者。工学院博士生陈晓丽参与了研究结果的分析。该研究得到了国家重点研发计划（2018YFA0902100）和国家自然科学基金委中-瑞国际合作与交流项目（32161133023）的资助。

版权声明：
文章来源北京大学新闻网，分享只为学术交流，如涉及侵权问题请联系我们，我们将及时修改或删除。

相关学术资讯

我国学者与海外合作者在可生物降解铁电体研究方面取得进展

我国学者在G-四链体的选择性调控领域取得进展

【“三基”主力军】西安交大科研团队在微纳尺度真空绝缘与场发射理论研究取得重要进展

北大深研院潘锋团队基于弹性晶格实现超高可逆容量的层状锰基锂电池材料

中国科学院团队在光驱动氢化物催化合成氨研究方面取得进展

电子学院微波光子学研究团队在片上声光相互作用方面取得新进展

北京大学汇丰商学院蔡晓鸣与合作者在International Economic Review发文探讨公司遴选求职者能力的增强对劳动力市场的影响

我国学者在结核病的靶向光热治疗研究方面取得进展

北京大学量子材料科学中心与海外合作者在二维高温超导体中发现本征配对密度波态