《Nature Chemical Biology》：Programmable cell–cell adhesion in synthetic yeast communities for improved bioproduction
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本研究针对现有微生物群落构建方法缺乏遗传特异性和可控性的问题，开发了一套用于酵母合成生物学的模块化细胞粘附工具箱。研究人员通过敲除七个主要的絮凝和凝集基因创建了清洁背景菌株007Δ，并建立了三种特异性粘附策略（FLO1/FLO5介导的非特异性粘附、SAG1-AGA1&2介导的特异性凝集、表面展示系统介导的正交粘附），通过定量评估证实了粘附系统的特异性与强度。研究首次将细胞粘附与营养共生（cross-feeding）及劳动分工（division of labor）相结合，在甲硫氨酸-色氨酸（Met-Trp4）共培养体系中使白藜芦醇产量提升2.47倍，为合成微生物群落的空间调控和生物制造提供了新范式。
在自然界中，微生物群落通过复杂的细胞间相互作用形成了强大的功能系统。然而，当科学家尝试在实验室中重构这些群落时，却面临着巨大挑战——现有的工程方法往往缺乏对细胞间相互作用的精确控制。特别是在酿酒酵母这类重要工业微生物中，如何实现可编程的细胞粘附并将其应用于生物制造，一直是合成生物学领域的难题。
传统方法多依赖于合成支架或化学修饰来促进细胞聚集，但这些策略存在明显局限：它们往往缺乏遗传特异性，无法与细胞信号传导直接关联，且可能在细胞生长过程中被稀释。更重要的是，细胞空间排列对代谢效率的影响在酵母合成群落中尚未得到系统研究。
发表于《Nature Chemical Biology》的这项研究，正是为了解决这些核心问题。研究团队开发了一套创新的合成生物学工具箱，通过编程控制酵母细胞的粘附行为，并将空间控制与代谢互作相结合，显著提升了高价值化合物的生物合成效率。
研究人员首先采用CRISPR-Cas9技术对BY4741酵母菌株进行系统改造，敲除了FLO1、FLO5、FLO10、FLO11、AGA1、AGA2和SAG1七个主要粘附基因，获得了"清洁背景"菌株007Δ。随后构建了三种粘附策略：Strategy 1利用FLO1/FLO5介导非特异性絮凝；Strategy 2.1基于酵母交配系统（SAG1-AGA1&2）实现特异性粘附；Strategy 2.2则通过表面展示系统（FLO5N、FLO5C、AGA1&2）与正交粘附蛋白（SpyTag-SpyCatcher、Ag3-Nb3、AcCoh-AcDoc）组合，实现高度特异性的细胞识别。此外，研究还结合了三种营养共生系统（Lys-Ade、Trp2-Trp4、Met-Trp4）和白藜芦醇合成途径的劳动分工策略，通过荧光显微镜、酶标仪和LC-MS等技术系统评估了粘附特异性、群体动态和代谢产物产量。
细胞间粘附促进合成共培养体系中的二维模式形成
通过沉降实验和共聚焦显微镜观察，研究发现FLO1过表达能诱导强烈的细胞聚集，絮凝比率达63.8%。在特异性评估实验中，Strategy 1显示非特异性粘附（三色细胞簇占比>74%），而Strategy 2.1和2.2则表现出高度特异性，仅介导目标细胞间的粘附。特别值得注意的是，研究人员成功利用FLO1过表达菌株在琼脂平板上构建了精确的二维空间模式，当表达FLO1和sfGFP的细胞1形成特定图案后，表达FLO1和mRuby2的细胞2能特异性粘附于图案区域，展示了该技术在空间组织控制方面的潜力。
营养共生与粘附协同调控图案形成和细胞生长
研究将三种营养共生系统与粘附策略相结合，发现细胞粘附能显著影响群体动态。在Trp2-Trp4共培养中，FLO1表达使细胞聚集加速生长，而缺乏粘附的对照组则保持分散状态。通过微孔板实时监测发现，初始接种比例对群体组成有决定性影响：在Lys-Ade系统中，ade8Δ细胞在1:1和1:10比例下占主导地位；而在Trp2-Trp4系统中，trp2Δ细胞在所有比例下均显示生长优势。FLO1和FLO5表达普遍提高了最大OD值，表明粘附促进了营养交换和细胞生长。
合成酵母共培养提升白藜芦醇产量
在最关键的应用验证中，研究将白藜芦醇合成途径分为两个模块：模块A（FjTAL）负责将L-酪氨酸转化为p-香豆酸，模块B（At4CL和VvVST1）负责将p-香豆酸转化为白藜芦醇。通过在不同营养共生对中测试途径分配和粘附策略，发现Met-Trp4A-B:FLO1组合效果最佳，使白藜芦醇产量达到0.67μM，较单菌株对照（Mctrl）提高2.47倍，且单位细胞产量提高4.32倍。值得注意的是，这种产量提升伴随着p-香豆酸的积累，表明途径平衡仍有优化空间，但证明了空间组织对代谢效率的积极影响。
讨论与展望
该研究构建的合成生物学工具箱包括基础菌株、三种营养共生对和16种粘附组合，为微生物群落工程提供了模块化资源。研究发现FLO1是调控细胞粘附和代谢交换的关键因子，其介导的空间组织能有效促进养分共享和代谢协同。与之前仅依赖营养共生和劳动分工的策略相比，引入粘附控制后白藜芦醇产量得到进一步提升。
这项工作的重要意义在于首次在酵母中系统整合了可编程粘附、营养共生和代谢分工三种策略，证明了空间控制对微生物群落功能的深远影响。虽然当前白藜芦醇的绝对产量仍有提升空间，但该框架为复杂天然产物的生物制造提供了新思路，特别适用于高代谢负担或存在毒性中间体的途径。未来可结合动态调控系统和更精细的空间组织策略，进一步优化群落性能和产物产量。
此外，该研究建立的模式形成能力和群体调控方法，不仅适用于生物制造，还可拓展至组织工程、生物材料设计和微生物生态学研究等领域。通过编程控制微生物群体的空间结构，为理解多细胞系统的进化原理和设计新型生命材料奠定了基础。
