微生物組是一個復(fù)雜的微生物群落，其中的微生物成員之間存在復(fù)雜的相互作用。為了解析微生物組的復(fù)雜性,，當(dāng)前涌現(xiàn)出了越來越多的新技術(shù)和新手段,。今天,，我們特別編譯發(fā)表在 Nature Method 雜志上題為“Engineers embrace microbiome messiness”的文章,。希望本文能夠?yàn)橄嚓P(guān)的產(chǎn)業(yè)人士和諸位讀者帶來一些啟發(fā)和幫助。微生物組是活躍的,、不斷進(jìn)化的,、復(fù)雜的微生物群落，它們在空間上和時間上都是動態(tài)變化的1,。哥倫比亞大學(xué)歐文醫(yī)學(xué)中心的研究員 Harris Wang 說,，為了應(yīng)對這種復(fù)雜性，他的實(shí)驗(yàn)室的理念是“坦然接納自然環(huán)境中的混亂”,，因?yàn)檫@有助于研發(fā)出能夠適應(yīng)這種復(fù)雜變化的工程技術(shù),。哈佛大學(xué) Wyss 生物啟發(fā)工程研究所所長 Don Ingber 說：“微生物組在健康和疾病中的重要作用已經(jīng)使醫(yī)學(xué)發(fā)生了改變，但是,，目前我們對微生物組功能的所有認(rèn)知都是基于基因組,。”勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的研究員 Trent Northen,，目前負(fù)責(zé)主持美國能源部聯(lián)合基因組研究所的幾個研究項(xiàng)目,。Northen 說：“大多數(shù)對于微生物基因功能的認(rèn)知來自于對微生物單獨(dú)分離研究，但是,，眾所周知,，微生物在自然界很少單獨(dú)存在。也許正是因?yàn)檠芯咳藛T對單一菌株的關(guān)注導(dǎo)致了對很多微生物基因功能缺乏理解,，因此,，我們迫切地需要用更生態(tài)學(xué)的方式來理解群落中工程菌的基因、代謝產(chǎn)物和代謝通路,。微生物組工程可以幫助實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證和改進(jìn)他們對微生物組的理解,，它可以幫助我們應(yīng)對諸如腸易激綜合征（IBS）等情況，提供環(huán)境微生物修復(fù)方案或更好地探尋微生物在生態(tài)系統(tǒng)中的角色,。實(shí)驗(yàn)室雖然不是專業(yè)的微生物組設(shè)計(jì)工作室,，但通過優(yōu)化推進(jìn)建模和探索微生物群落可以使我們朝著這個目標(biāo)邁進(jìn)?！?/section>科羅拉多州立大學(xué)的 Kelly Wrighton 說：“我的實(shí)驗(yàn)室是‘生態(tài)系統(tǒng)不可知論派’，目前團(tuán)隊(duì)的主要研究方向是微生物生態(tài)系統(tǒng),，包括土壤環(huán)境,、頁巖環(huán)境以及腸道。通過追蹤各生態(tài)系統(tǒng)的代謝機(jī)制,，尤其是厭氧環(huán)境中的微生物代謝,，對由于物理空間或微生物互作產(chǎn)生的抑制、進(jìn)程及變化作用進(jìn)行探究。現(xiàn)在,，實(shí)驗(yàn)室可以通過對基因組和菌株的解析來更好地挖掘微生物群落的代謝潛力,。” 他們對整個生態(tài)系統(tǒng)中的微生物所提供的功能進(jìn)行探索挖掘,，發(fā)現(xiàn)不只是腸道,，在整個地球中的各生態(tài)系統(tǒng)中，微生物都存在類似的功能特性,。Wrighton 的研究團(tuán)隊(duì)借助合成群落,，剖析生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性，對其進(jìn)行跟蹤和監(jiān)測,，并獲得時間動態(tài)解析數(shù)據(jù),。Wrighton 說：“理想情況下，我們能夠?qū)?shí)驗(yàn)獲得的信息在真實(shí)環(huán)境中得到驗(yàn)證,。例如,，我們目前研究的是地表以下 2500 米的頁巖油氣井。為了釋放天然氣,，高壓將水和化學(xué)物質(zhì)泵入地下,。因此，在破裂之前,，巖石中幾乎沒有生命和水,，它們是‘古氏巴氏滅菌（paleopasteurized）’過的。但是壓裂過程中會引入可以形成生物膜的微生物,，并對井造成腐蝕性‘酸化’,。”她通過研究這些反應(yīng)來了解微生物組的代謝過程,，同時也著眼于可能的應(yīng)對策略,。實(shí)驗(yàn)室模型和代謝分析結(jié)果顯示，在這一深度中,，存在著一個重要的微生物代謝網(wǎng)絡(luò)——氨基酸的協(xié)同發(fā)酵2,。例如，在頁巖油氣井中富含的一種氨基酸衍生物甜菜堿,。而根據(jù)微生物群落中鹽厭氧菌屬（Halanaerobium）,、地袍菌屬（Geotoga）和甲烷嗜鹽菌屬（Methanohalophilus）的豐度，可以預(yù)測這些頁巖中碳和氮的有效性,?；诖耍茖W(xué)家們在實(shí)驗(yàn)室中重建了頁巖微生物群落的“微觀世界”,，可以產(chǎn)生 75%左右自然環(huán)境下循環(huán)的碳和氮,。Wrighton 說：“對我來說,，那是我第一次意識到真實(shí)世界與實(shí)驗(yàn)室之間的關(guān)聯(lián)?！毖芯咳藛T還對頁巖,、土壤和人類腸道中的甲胺循環(huán)進(jìn)行了分析。研究小組在頁巖上的經(jīng)驗(yàn)讓他們以此類推獲得了對腸道的更多認(rèn)知,。“這不僅僅是建立一個系統(tǒng)中的某個代謝網(wǎng)絡(luò),。我們還在研究酶、有機(jī)體以及微生物的互作關(guān)系,，以及不同生態(tài)系統(tǒng)中的競爭情況,。” Wrighton 說,。有時實(shí)驗(yàn)室結(jié)果并不適用于現(xiàn)實(shí)環(huán)境,。Wrighton 說：“模擬的土壤微生物甲烷產(chǎn)生過程在實(shí)驗(yàn)室中可以得到漂亮的結(jié)果。我們通過基因組分析發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)生甲烷的關(guān)鍵菌株,，進(jìn)而我們在實(shí)地環(huán)境中尋找這些關(guān)鍵菌株,，但事實(shí)是，這些菌株并不在土壤中,。實(shí)驗(yàn)室建模有助于揭開謎底,、探究因果關(guān)系、進(jìn)而縮小目標(biāo)范圍,，但是實(shí)地應(yīng)用卻是另外一番景象,，它給我們提供的是真實(shí)的背景信息?！?nbsp;
圖.在 EcoFABs 中,，植物生長在一個量身定制的根際微生物群中。
Northen 和他的團(tuán)隊(duì)建立的 EcoFABs 系統(tǒng)用于透徹分析已知的微生物生態(tài)系統(tǒng)模型,。（編者注：EcoFABs 由確定的微生物群落結(jié)構(gòu),、實(shí)驗(yàn)室模擬棲息地、培養(yǎng)方法和時空分析組成,。一旦完成模型標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)據(jù)上傳,，就可實(shí)現(xiàn)多實(shí)驗(yàn)室的合作-調(diào)整-機(jī)制研究，為理論學(xué)說和預(yù)測模型的建立提供支持）EcoFABs 的一項(xiàng)研究案例是關(guān)于根際微生物組的研究,。在 3D 打印模具中,，用水培養(yǎng)幼苗，并在模具中加入不同的微生物,。利用質(zhì)譜等方法來捕獲根際微生物的代謝與物質(zhì)交換情況,。Northen 說：“該系統(tǒng)需確保從無菌環(huán)境開始，以保證研究的準(zhǔn)確性,。然后,，就可以預(yù)測代謝物交換，繼續(xù)設(shè)計(jì)以及測試合成微生物組,。目前,，EcoFABs 還處于起步階段，但是它能夠作為‘設(shè)計(jì)-建造-測試-學(xué)習(xí)’迭代循環(huán)的一部分,。大規(guī)模的微生物體外代謝物分析將為開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化模型提供數(shù)據(jù)支持,。”該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃為 EcoFABs 增加單細(xì)胞成像功能,，利用多色熒光成像技術(shù),，構(gòu)建報告因子，并應(yīng)用熒光環(huán)境敏感探針進(jìn)行空間分析,，進(jìn)而表征微環(huán)境下的微生物,。Northen 說：“這些系統(tǒng)可以幫助解決一系列開放性問題：植物是否通過調(diào)節(jié)根際分泌物篩選有益菌？這種篩選過程是否會隨著環(huán)境條件改變而改變,？如果有,，那么這些微生物對植物的功能是什么？根際微生物之間相互依賴的程度如何?” Northen 建議在設(shè)計(jì)合成微生物組時,，慎重選擇微生物組組成菌株,。如果研究人員是根據(jù)系統(tǒng)發(fā)育樹進(jìn)行選擇的，那么他們需要注意這些微生物的親緣關(guān)系,。他們也可以根據(jù)微生物的功能來進(jìn)行選擇,。Northen 表示：“其實(shí)我們對于土壤微生物群落的思考還很片面。微生物群落如此多樣,，實(shí)驗(yàn)室水平上進(jìn)行微生物活動和相互作用方面的研究能力還十分有限,，尤其是在大規(guī)模研究方面?！?/section>為了加強(qiáng)合作效果,，Northen 希望該研究人員能重點(diǎn)集中研究幾個具有互補(bǔ)性的實(shí)驗(yàn)室生態(tài)系統(tǒng)，這樣更有利于完善生態(tài)系統(tǒng)模型3,。Northen 表示：“這類似于就模式菌株得到一致意見一樣,，希望我們這個模式生態(tài)系統(tǒng)模型進(jìn)度可以更快一點(diǎn)。EcoFABs 指導(dǎo)委員會（EcoFAB Steering Committee）可以負(fù)責(zé)組織聯(lián)系,?！?/section>加利福尼亞大學(xué)圣塔芭芭拉分校 Michelle O’Malley 說：“我們進(jìn)入了一個新奇微觀世界，在那里微生物負(fù)責(zé)很酷的化學(xué)反應(yīng),?！?O’Malley 主要從事厭氧菌研究，包括腸道,、垃圾填埋場以及缺氧海洋沉積物的微生物組,。瘤胃就是這樣一種“新奇”的棲息地,，山羊吃多吃少都要?dú)w功于瘤胃。瘤胃是反芻動物的第一胃,，是迄今已知的降解纖維物質(zhì)能力最強(qiáng)的天然厭氧發(fā)酵罐,。反芻時，食糜逆嘔至口腔重新咀嚼,。研究瘤胃微生物組的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)指導(dǎo)著實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建一個可以處理各種食物的最小微生物生態(tài)系統(tǒng),。為了探究微生物之間的互作，研究人員對微生物群落中成員的基因組進(jìn)行了編輯,，并且探究了微生物豐度和代謝活性的變化,。通過基因編輯技術(shù)，研究人員能夠顯示哪些微生物吃糖,、降解纖維,、制造短鏈脂肪酸或產(chǎn)生甲烷。 O’Malley 說：“在測試微生物如何互作,、碳是如何循環(huán)的以及建模的最佳條件是什么上,，仍然存在研究空白。在我看來,，人們現(xiàn)在對腸道微生物組認(rèn)知大多數(shù)都只是猜測,。應(yīng)進(jìn)行微生物菌株水平研究，而不是在存在冗余的群落水平進(jìn)行研究,。盡管我作為一名工程師為此感到掙扎,，但冗余的存在對微生物群落來說是情有可原的，功能性冗余將有助于微生物從群落失調(diào)中恢復(fù)平衡,?！?/section>O’Malley 的實(shí)驗(yàn)室利用基因組編輯工具來控制微生物群落中的不同成員，但是她發(fā)現(xiàn) CRISPR-Cas 基因編輯技術(shù)并不能對所有微生物產(chǎn)生同樣的效果,。該團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了改造微生物組環(huán)境的“塑造微生物群落（sculpt microbiomes）”法（如通過限制營養(yǎng)或僅促進(jìn)某些成員的生長）,。O’Malley 實(shí)驗(yàn)室使用的工具技術(shù)從 1950 年代的培養(yǎng)基富集法（特定培養(yǎng)基用于促進(jìn)某些特定微生物生長）到新興技術(shù)（如 RNA 測序，基因編輯,、從頭組裝,、代謝分析和建模），應(yīng)有盡有,。許多微生物組研究實(shí)驗(yàn)室只專注于細(xì)菌,，但 O’Malley 認(rèn)為這存在偏好風(fēng)險，她說：“DNA 提取會使捕獲到的基因特征產(chǎn)生偏差,，因?yàn)橛行┓椒ǜm用于細(xì)菌,，而有些方法則更適用于真菌或古菌。實(shí)際上,，單就樣品收集,、樣本制備以及樣品穩(wěn)定性,，我們就會進(jìn)行大量的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，以便我們能夠獲得最真實(shí)的信息,，知道究竟存在哪些微生物,。”正是這種觀點(diǎn)幫助研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),，由于厭氧真菌的影響，食草動物比其他任何被測序的生物擁有更多的降解酶4,。這個結(jié)果是令人驚訝的,。瘤胃中的真菌通常被視為病原體或者由于采樣偏差而被忽略，研究人員通常將草食性動物瘤胃液作為樣品,，其中富含細(xì)菌,，但也含有少量的真菌。O’Malley 表示,，這些真菌主要與食物顆粒有關(guān),，通常在樣品制備階段被丟棄。正在進(jìn)行的一項(xiàng)使用纖維類食物喂養(yǎng)靈長動物（包括黑猩猩和大猩猩）的研究表明,，它們在消化道中有豐富的真菌,，這一發(fā)現(xiàn)為人類腸道研究提供了靈感。
圖.在腸道微芯片中,，人類的腸道微生物群與腸道細(xì)胞直接接觸,。
Ingber 和他的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明構(gòu)建了一套可以進(jìn)行腸道上皮細(xì)胞體外培養(yǎng)的設(shè)備，該模擬腸道具有腸道上皮細(xì)胞,，細(xì)胞外有液體流動（模擬腸道生理環(huán)境）,，并且具有腸道蠕動的特性。Ingber 說：“我們課題組對該模型進(jìn)行了進(jìn)一步升級,，現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室可以用該模型研究與人類腸道細(xì)胞及其上層粘液直接接觸的復(fù)雜人類腸道微生物組5,。在人體腸道中，含氧的血液流經(jīng)毛細(xì)血管,，當(dāng)穿過腸道上皮細(xì)胞組織界面進(jìn)入內(nèi)腔時,，氧氣的濃度會逐漸降低。因此,，該模型具有兩個通道,，一條通道含氧，另一條則不含氧氣,。這種腸道模型微芯片可以維持一個超過 200 種細(xì)菌的復(fù)雜人類腸道微生物組,，其中包含厭氧菌和需氧菌?！?/section>Ingber 和他的團(tuán)隊(duì)還模擬對比了人和小鼠對腸出血性大腸桿菌的感染敏感性差異,，發(fā)現(xiàn)這很大程度上取決于腸道微生物代謝產(chǎn)物,。Ingber 說：“類器官對于研究細(xì)胞分化和基礎(chǔ)細(xì)胞生物學(xué)問題確實(shí)是很有價值的，但是它們往往是組織,，而我們的模型更像是芯片器官,，可以進(jìn)入腸腔和毛細(xì)血管腔。類器官是封閉的球體,。因此,，你無法控制其中的條件，而這些漏洞終將會置人于死地,?！?/section>幾年前，他著手構(gòu)建一種腸道芯片,，以探索在受控條件下人類宿主-微生物組間的相互作用,。正常的人類腸道微生物組包括許多專性厭氧菌和需氧菌，這使得在實(shí)驗(yàn)上極具挑戰(zhàn)性：需氧菌不喜歡低濃度氧氣環(huán)境,，反之亦然,，而且非常低的氧氣濃度會殺死人類細(xì)胞。Ingber 說：“這就是問題所在,?！?/section>哥倫比亞大學(xué)的 Wang 評論該系統(tǒng)說：“這是一種非常優(yōu)雅的研究微生物組的方式。但仍然缺少某些組分,，例如免疫系統(tǒng),。” Northen 說：“我對這些類型的設(shè)備十分感興趣,，但是空談不如實(shí)踐,，有影響力的研究才會被廣泛接受。要推進(jìn)此類工作,，需要廣泛的專業(yè)知識,，如材料科學(xué)家、專注于微流控技術(shù)進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建的專業(yè)人員,?！?/section>Wang 說：“合成微生物群落存在的一個普遍性問題是，它們在復(fù)雜的環(huán)境中并不總是保持穩(wěn)定,。這些設(shè)計(jì)出來的系統(tǒng)對于理解微生物相互作用背后的調(diào)控機(jī)制以及關(guān)鍵驅(qū)動因素意義非凡,。實(shí)驗(yàn)室可以利用它們來關(guān)注某些微生物的相互作用，不僅可以定性甚至可以進(jìn)行定量研究,。例如,，特定環(huán)境中用于追蹤代謝產(chǎn)物的研究系統(tǒng)。不過，如何推廣到混亂的實(shí)際環(huán)境中是一個巨大的挑戰(zhàn),，正如很難將一種被充分研究過的掠食者-獵物的關(guān)系推廣到叢林生態(tài)系統(tǒng)一樣,。”Ingber 對新合成的大腸桿菌菌株很感興趣,，他說：“我們的模型可以用來推進(jìn)這項(xiàng)工作,。”這些新合成的大腸桿菌菌株是大腸桿菌 Syn61 的變種,，是由在英國醫(yī)學(xué)研究委員會分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室 Jason Chin 的實(shí)驗(yàn)室合成的6,。該研究小組利用 REXER 技術(shù)重建了大腸桿菌基因組（400 萬個堿基對）。DNA 通過化學(xué)方法合成,，然后進(jìn)行組裝,，接著被運(yùn)送到細(xì)菌中。研究小組將大腸桿菌的氨基酸遺傳密碼子數(shù)量從 64 個減少了到 61 個,；兩個絲氨酸密碼子和一個終止密碼子被替換。這是一種幫助合成生物學(xué)家構(gòu)建生物體的方法,，并非通過基因編輯就能輕易完成,。正如研究人員 Benjamin Blunt 和 Tom Ellis 在 News and Views 中所指出的那樣，這種大腸桿菌基因編碼的合成與還原代表著“新檔案（new records）”產(chǎn)生,，類似的項(xiàng)目也在開展階段,。他們說：“基因組最小化和密碼子減少只是這項(xiàng)新技術(shù)的首次應(yīng)用，有朝一日,，這項(xiàng)技術(shù)可能會為我們提供功能重組基因組和經(jīng)特異修飾過的用于進(jìn)行特定研究的基因組,。”正如 Chin 解釋的那樣：“除了編輯單個基因組,，實(shí)驗(yàn)室還可以使用這種方法來綜合設(shè)計(jì)進(jìn)化微生物群落,。將不同程度遺傳密碼子減少的生物體組裝成目標(biāo)微生物群落，利用密碼子優(yōu)化限制微生物群落中生物體之間的基因水平轉(zhuǎn)移,?！?/section>麻省理工學(xué)院（MIT）研究員 Tami Lieberman 在她微生物組的研究工作中應(yīng)用了進(jìn)化方面的知識，她利用微生物累積的突變來預(yù)測評估細(xì)菌的個體進(jìn)化自然史,。Tami Lieberman 說：“基因適應(yīng)性突變和相關(guān)的反應(yīng)通路暗示了對細(xì)菌生存而言的最大挑戰(zhàn),，并指引我們?nèi)绾胃玫叵蛘咴黾舆@些細(xì)菌生存阻力。由于低頻突變很難通過短讀測序和組裝捕獲,，我們實(shí)驗(yàn)室分開培養(yǎng)了特定的需氧菌株和厭氧菌株,。這種培養(yǎng)方式避免了微生物競爭的同時又能反映體內(nèi)環(huán)境中的多樣性?！毖芯啃〗M對許多單一菌落的基因組進(jìn)行了高通量測序,，這些細(xì)菌來自腫瘤、糞便或皮膚。Lieberman 實(shí)驗(yàn)室正在研究的項(xiàng)目之一是濕疹患者皮膚上金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的進(jìn)化過程,。金黃色葡萄球菌可能不是真正的致病原因,，但是降低金黃色葡萄球菌水平可能會緩解病情。Lieberman 說：“除非出現(xiàn)大的干擾因素,，如抗生素,，否則個體中的微生物群落通常會保持在穩(wěn)定狀態(tài)。盡管大量暴露于環(huán)境中,，但個體微生物群落似乎能夠抵御這些外部壓力,。不過也可能存在其他可能性?！?/section>Lieberman 的實(shí)驗(yàn)室對健康個體腸道中的脆弱擬桿菌（Bacteroides fragilis）進(jìn)行了為期 18 個月的追蹤,。Lieberman 說：“我們發(fā)現(xiàn)，脆弱擬桿菌的功能性上存在一定的多樣性,，兩種功能不同的脆弱擬桿菌可以共存,。”O’Malley 說：“簡而言之,，微生物組工程師們應(yīng)該在他們的工作中考慮到進(jìn)化因素,。在微生物群落中，非常相似的成員可能會突然分化,?！?/section>O’Malley 和她的團(tuán)隊(duì)致力于觸發(fā)此類事件，其中可能涉及基因水平轉(zhuǎn)移,，使得微生物具有競爭性或者適應(yīng)性優(yōu)勢,。她說：“如果能找到將其用于工程應(yīng)用的方法，那將非?？?。”Wang 的實(shí)驗(yàn)室正是在進(jìn)行此類工作,。
圖. 哥倫比亞大學(xué) Wang 實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一種名為“MAGIC”的方法,。
Wang 說：“雖然我們可以通過復(fù)雜的方式對微生物組進(jìn)行分析，但缺乏操縱微生物組的工具,?！彼退膱F(tuán)隊(duì)構(gòu)建了可應(yīng)用于不同微生物組的通用方法，并希望它們能夠成為“可被推廣的種群規(guī)模的工程技術(shù)”,。該方法名為 MAGIC,，通過操縱移動基因元件在腸道中直接改變菌群7。具體地,，利用大腸桿菌等菌株作為供體細(xì)菌,，通過廣譜細(xì)菌接合將模塊化移動質(zhì)粒（pGT）等基因操作元件轉(zhuǎn)移入腸道菌群。Wang 說：“MAGIC 技術(shù)是用于研究混亂復(fù)雜的體內(nèi)環(huán)境的工具之一，也是應(yīng)對此類問題的工具庫建立的開始,?！盬ang 實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員 Carlotta Ronda 在與 Wang 一起接受采訪時表示：“我們目前將該方法應(yīng)用在腸道微生物組的研究中，但也可用于皮膚或者其它任何生境的微生物組,?！?/section>MAGIC 能夠?qū)σ粋€系統(tǒng)的組件去復(fù)雜化，進(jìn)而獲得對復(fù)雜的系統(tǒng)認(rèn)知,。研究團(tuán)隊(duì)利用了細(xì)菌之間遺傳共享的特性（如,，通過交換質(zhì)粒或遺傳元件）,。Wang 說：“人們對這種特性的理解相當(dāng)透徹,，但并不了解它的應(yīng)用范圍?；蚪M分析揭示了基因的來源,，這使基因組分析帶有‘基因組考古學(xué)’的意味。共享元件只有在傳遞了優(yōu)勢時才會保留,。例如,，海洋細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移到人體微生物群解釋了為什么某些日本人可以消化原本無法消化的海藻多糖。基因水平轉(zhuǎn)移沒有那么常見,，但仍不容忽視，特別是當(dāng)涉及抗菌素耐藥基因時,。我們希望通過追蹤轉(zhuǎn)移事件發(fā)生網(wǎng)絡(luò),，找到一種能夠在‘友好接收者’中激活所需元件的方法?！?/section>Ronda 表示,，實(shí)驗(yàn)室將繼續(xù)優(yōu)化 MAGIC 技術(shù)。載體需要具有穩(wěn)定,、可再編輯的特點(diǎn),。在嘗試這種方法時，考慮到甲基化和調(diào)控元件會影響水平基因轉(zhuǎn)移,，實(shí)驗(yàn)室需要選擇合適的質(zhì)粒,，以便他們可以針對特定目的調(diào)節(jié)構(gòu)建體。Wang 說：“某種程度上來說,，這些移動的遺傳元件是自私的,。它們試圖盡可能多地在生物中繁殖。如果能將其應(yīng)用于合成生物學(xué),，那便會成為一種不依賴單一載體就能植入新功能的方法,。而且這些目的元件很有可能會被保留在整個群落中。” Wang 和他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)建立了一個合成生態(tài)系統(tǒng),，在這一系統(tǒng)中,，必需的代謝產(chǎn)物——氨基酸——被“交易”。Wang 說：“通過借鑒生物經(jīng)濟(jì)模型和‘微生物貿(mào)易’理論,，可以定量地對物質(zhì)交換相關(guān)的能量損失進(jìn)行建模,。但是將其擴(kuò)展到具有空間異質(zhì)性、時間可變性和環(huán)境波動的大型復(fù)雜群落卻是一項(xiàng)挑戰(zhàn),。工程微生物組意味著所設(shè)計(jì)系統(tǒng)需要既堅(jiān)固又穩(wěn)定,。當(dāng)這些條件無法保證時，模型就需要重新設(shè)計(jì),?！?/section>Ronda 說：“實(shí)驗(yàn)室剛剛開始研究自然的代謝能力，這可能會給發(fā)酵和可持續(xù)生產(chǎn)過程帶來新思路,?！?/section>另外，Wang 的課題組還在研究自然條件下基因水平轉(zhuǎn)移的概率8,。Wang 說：“我們借鑒了 CRISPR-Cas 間隔子（spacer）獲取過程,，該過程充當(dāng) DNA 記錄器。當(dāng)具備這種記錄能力的菌株存在于微生物樣品中時,，入侵生物體的片段就會被其捕獲并作為‘間隔子’整合到 CRISPR 序列中,。而這些間隔子是具有保護(hù)性的，被轉(zhuǎn)錄后,，它們成為細(xì)菌免疫系統(tǒng)的一部分,。間隔子可以被測序以識別入侵生物體。這給予了研究人員靈感：將具有這種記錄能力的菌株置于復(fù)雜的環(huán)境中,，在該環(huán)境中,，它將在其序列中記錄轟擊它的 DNA。利用這種方法,，可以發(fā)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境中哪些微生物正在積極共享遺傳信息,，進(jìn)而幫助實(shí)驗(yàn)室找到新型載體。具有記錄能力的菌株可能是一個專用的基因轉(zhuǎn)移系統(tǒng),，能夠跟蹤基因在不同生物體中的位置,。”這是一個令人感到頭痛的問題：對復(fù)雜的微生物系統(tǒng)進(jìn)行建模是十分困難的,，但是如果沒有模型,，研究就變得很困難。Northen 認(rèn)為對“微生物群落的最佳猜測”涉及到循環(huán)往復(fù)驗(yàn)證整個模型的建立過程（構(gòu)建-測試-發(fā)現(xiàn)漏洞-思考改進(jìn)-建立新群落）,。他說：“研究同一系統(tǒng)的越多,，專業(yè)研究的多樣性越多,，我們對其認(rèn)知就會越快。模型構(gòu)建者需要明確他們的目標(biāo)以及他們系統(tǒng)的適用范圍,。我們正在建立‘模式’生態(tài)系統(tǒng),，而不是‘自然’生態(tài)系統(tǒng)。這些模型必須具有可控制性和可重復(fù)性,，這樣科學(xué)家們才能夠有效地確定因果機(jī)制,，從而得出觀點(diǎn)和適用模型。另外,，模型的有效性和普遍性必須在自然生態(tài)系統(tǒng)中建立,。”在比較實(shí)驗(yàn)室之間的工程微生物組時,，‘天然’系統(tǒng)可以作為基準(zhǔn),。那么，具體應(yīng)該如何選擇最靠譜的模型呢,？Ingber 說：“這很簡單,，誰能更好地模仿人體生理學(xué)和臨床結(jié)果，誰就可以取勝,?！?/section>O’Malley 說：“有很多可以向大自然學(xué)習(xí)的東西。工程師傾向于過度簡化模型系統(tǒng),，這可能不利于我們進(jìn)行微生物組工程設(shè)計(jì),。我們需要思考的遠(yuǎn)比我們現(xiàn)在做的復(fù)雜得多?！?/section>為了應(yīng)對微生物組的復(fù)雜性,，微生物組研究人員需要開放合作。Ronda 說：“研究不同微生物組的實(shí)驗(yàn)室使用的研究方法不同,，但都存在共同之處。微生物組學(xué)工程方法需要被推廣,，進(jìn)而可以應(yīng)用于土壤,、植物根際、腸道等微生物組中,。不同領(lǐng)域之間其實(shí)存在著很多共通之處,。”在 Wrighton 的合作項(xiàng)目中,， Wrighton 發(fā)現(xiàn)了共通的模式,、共同的問題以及共享的資源。她說：“現(xiàn)在,，這個領(lǐng)域是開放的,?！?/section>參考文獻(xiàn)： （滑動下方文字查看） 1. Baym, M. et al. Science 353, 1147–1151 (2016). 2. Borton, M. A. et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 115, E6585–E6594 (2018). 3. Zengler, K. et al. Nat. Methods https:///10.1038/s41592-019-0465-0 (2019). 4. Solomon, K. V. et al. Science 351, 1192–1195 (2016). 5. Jalili-Firoozinezhad, S. et al. Nat. Biomed. Eng. https:///10.1038/s41551-019-0397-0 (2019). 6. Fredens, J. et al. Nature 569, 514–518 (2019). 7. Ronda, C. et al. Nat. Methods 2, 167–170 (2019).? 8. Munck, C. et al. Preprint at https://www./ content/10.1101/492751v1 (2019).? 原文鏈接：https://www./articles/s41592-019-0460-5
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