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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。

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