开元体育华人团队构建合成微生物菌群通过成分和时间分工调节混合糖发酵合成微生物群落属于合成生物学和微生物组学的交叉领域，这是一个新兴的研究方向。该领域专注于对微生物群落的特性和功能进行研究，并将其应用到生物技术中。

　　与单菌系统开元体育，合成微菌群落具有通讯（communication）和分工（division of labor，DOL）等优点。菌群成员可以通过信号分子交换、检测并相互响应等多种方式进行单向、双向或者多向交流，菌群成员相互之间还可以分工执行不同的任务完成复杂功能开元体育。

　　其中，分工机制对合成微菌群落优于单一菌株发挥了重要作用。不过，现阶段领域内尚不清楚合成微菌群落分工机制优势的确切机制。

　　日前，来自美国伊利诺伊大学香槟分校的科学家们通过构建合成的酿酒酵母菌群、改变这些菌群的组成和时间顺序调节混合糖发酵，从而克服单菌株发酵存在的局限性。这项研究展示了 DOL 在生物加工中的潜力，并为合理设计各种应用中的工程生态系统提供了见解。

　　该研究已发表在Nature Communications上。本文的通讯作者是伊利诺伊大学香槟分校农业、消费者和环境科学学院食品微生物学教授 Yong-Su Jin 和 Grainger 工程学院生物工程系教授卢挺（Ting Lu）。卢挺的研究重点是微生物合成生物学和系统生物学，即设计、分析和构建细胞功能重编程的微生物基因调控网络。

　　业内通常认为，合成微生物群落极可能由于 DOL 机制优于单个工程化菌株的性能。领域内已经初步探索了这种策略的可行性，但是仍然需要通过在合成微生物群落中更精确地设计和执行 DOL 以优化目标功能。

　　该团队认为，改变不同菌株的初始菌群组成和时间顺序可以更灵活调节单一类型菌群（individual member strains）的代谢能力和整体生态系统反应，从而达到比单一菌株更佳的发酵性能。为了验证这一想法，该团队将发酵实验与数学建模相结合，探讨了菌群成分和发酵时间顺序对合成微生物群落生产纤维素生物燃料的影响。

　　研究团队利用两种专用的酿酒酵母菌株构建了一个能够发酵葡萄糖和木糖的工程菌群作为实验模型系统——葡萄糖专用菌株YG和木糖专用菌株YX，以葡萄糖和木糖为底物生产的乙醇作为合成微生物群落的可量化输出函数，随后设计数学模型描述糖消耗、生长动力学和乙醇生产的关系。通过一系列工程化手段优化，该团队构建了菌株YG2和YX3，该系统可同时消耗葡萄糖和木糖。并删除了YG2和YX3菌株中编码醛还原酶的 ALD6，最终得到菌株YG2ΔALD6和YX3ΔALD6。

　　然后，为了验证通过直接改变初始菌群组成是否影响乙醇生产，该团队将经优化的微生物菌群进行了一组混合糖发酵实验。试验结果显示，随着合成菌群初始成分的改变，合成菌株产生了不同的糖消耗动态和乙醇生产曲线。这些结果证明了调节初始成分可以作为一种控制成菌株发酵反应的有效方法，同时也表明通过改变成分组成可以系统优化乙醇生产和底物共消耗。

　　接下来，研究团队验证了时间顺序 DOL 的影响，他们验证了葡萄糖和木糖不同发酵顺序对乙醇产量的影响。首先通过删除 ALD6 优化葡萄糖菌株的消耗率，由此构建的菌株YG0ΔALD6具有最高的葡萄糖消耗率，形成了后续实验中的合成菌株系统YG0ΔALD6和YX3ΔALD6。研究人员观察到，当合成菌群以不同时间顺序发酵葡萄糖和木糖混合物时，葡萄糖和木糖消耗率以及乙醇生产模式都不相同。

　　当先用YG0ΔALD6发酵葡萄糖时，葡萄糖的快速发酵会快速生产乙醇，抑制木糖发酵；当先用YX3ΔALD6发酵木糖时，积累的乙醇并不会抑制YG0ΔALD6消耗葡萄糖，因此乙醇的整体生产率显著提高。这些数据表明可以通过改变葡萄糖和木糖发酵的时间顺序减少乙醇对木糖发酵的抑制等情况。

　　完成这些工作后，该团队尝试基于微分方程开发一个数学模型，以定量分析合成菌群成分和时间 DOL 的特征。该模型涵盖了葡萄糖和木糖的发酵菌株、消耗相应的底物维持细胞活力、生物质、以及目标产物乙醇。

　　研究人员进一步测试了数学模型在发酵优化合成菌群上的预测效果开元体育，首先使用该模型模拟了葡萄糖和木糖的共发酵，YG2Δ ALD6和YX3ΔALD6的发酵结果表明，不同成分的 DOL 可以促使葡萄糖和木糖消耗改变，并达到乙醇的最大产量。这些结果再次验证了初始成分是调节合成菌群发酵性能的可行参数，也证实了模型的预测能力。

　　该团队还测试了发酵的时间间隔对乙醇产量的影响，通过模拟确定在间隔 27 小时的情况下，乙醇产率很高，但当间隔到 40 小时，乙醇产率会显著下降。

　　为了进一步 DOL 机制的有效性和实用性，研究团队使用合成菌群发酵含有 56.5 g/L 葡萄糖和 35.2 g/L 木糖的纤维素水解产物，先利用YX3ΔALD6发酵木糖，然后在木糖消耗至 10 g/L 时开始利用YG0ΔALD6发酵葡萄糖，葡萄糖和木糖在 42 小时内成功耗尽，最终生产出 39.5 g/L 乙醇。

　　这表明，合成微生物群落具备降解纤维素水解产物中混合糖的能力，有潜力应用于工业发酵并将纤维素水解产物高效快速转化为增值产品。