综述：用于生物合成的微生物联合体工程：构建、调控与应用

《Biotechnology Advances》：Engineering microbial consortia for biosynthesis: Construction, regulation, and applications

合成微生物群落（SMCs）通过代谢分工和动态调控突破单株局限，在复杂基质转化（如木质纤维素）和高附加值产物合成中展现显著优势。其工程化依赖宿主互惠选择、代谢模块解耦及群体调控技术（如原位感知系统），但规模化应用仍受限于菌群稳定性与实时环境响应机制。

　　

作者：李博婷 | 刘卫峰

中国山东省青岛市滨海路72号，山东大学微生物技术研究所微生物技术国家重点实验室，邮编266237

摘要

合成微生物联合体（SMCs）代表了从单菌培养向多菌系系统的范式转变，这种转变利用生态相互作用来增强环境适应性和生物生产力。本文系统地梳理了构建稳定SMCs的工程策略，重点关注三个核心原则：基于专性互惠关系（例如营养缺陷型菌）的宿主选择、解决代谢冲突的途径模块化，以及利用群体感应和光遗传学等工具进行动态调控。我们展示了SMCs在多种应用中的有效性，包括高价值化合物合成和通过整合生物工艺转化木质纤维素生物质，以及抑制剂的缓解。此外，还描述了SMCs在工程化生物材料、环境修复和生物医学创新中的高级功能，这些功能是通过劳动分工实现的。尽管取得了这些进展，但在工业条件下实现SMCs的可扩展性和实时控制仍面临挑战。我们得出结论，SMCs在连接进化生态学和生物技术方面发挥了重要作用，为可持续生物制造等领域提供了强大的解决方案。

引言

自然微生物群落通过从竞争到互惠的动态相互作用发展，以克服单细胞的局限性（图1）。传统生态理论认为，在资源稀缺的情况下，竞争排斥占主导地位，而互惠作用的作用相对有限（Foster和Bell，2012；Hibbing等人，2009；Palmer和Foster，2022）。然而，最近的研究发现，在实验室构建的代谢供体和受体之间的单向交叉喂养相互作用中，大约40%的情况下会自发出现互惠关系，为更高层次的专性互惠关系奠定了基础（Giri等人，2022）。这一发现还表明，自然选择塑造了一个从竞争到合作的连续体，范围从资源竞争到代谢互补，从空间排斥到功能劳动分工。这种平衡机制的进化证据体现在不同层面上，例如真核生物中的细胞内区室化和微生物群落中的种群间合作系统。这激发了微生物研究从单菌培养向合成微生物联合体（SMCs）的范式转变。

虽然单菌培养传统上被用于实现生物合成目标，但它们面临三个限制：代谢负担过重、底物利用受限以及复杂网络中的调控失衡。单菌培养中的代谢负担通常源于“有限的能量资源池、还原当量以及宿主自我维持所需的前体代谢物”与“异源产物合成额外需求”之间的根本冲突（Di Blasi等人，2024）。当异源途径基因的诱导强度超过某个临界阈值时，宿主可能会进入过载状态。模型模拟显示，超过这个阈值后，基础蛋白质表达能力会下降约80%，同时宿主细胞的特定生长率也会显著下降约50%（Nikolados等人，2019）。生长抑制的主要成本会演变成系统性的生理失调（例如应激反应激活），最终降低目标产物的合成效率，甚至抵消预期的工程目标。这些情况凸显了单细胞系统的固有性能上限。此外，单菌培养在利用复杂底物方面也存在根本性限制。以木质纤维素为例，Clostridium thermocellum单菌培养中未发酵原料中的碳水化合物溶解度（计算为碳水化合物质量与残留固体的差值）从20克/升增加到80克/升时，从0.656降至0.557。此外，由于C. thermocellum无法代谢木糖，几乎一半的半纤维素衍生碳被浪费掉了。然而，C. thermocellum与专门从事木糖发酵的Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum的共培养可以直接解决这一代谢瓶颈。因此，在相同的高固体底物负荷下，溶解度增加到0.632（Kubis等人，2022）。因此，共培养成员之间的“劳动分工”提高了复杂底物的整体转化效率。如上所述，维持动态代谢流的精确平衡不仅对各种宿主细胞过程至关重要，也对实现高产品产量很重要。单菌培养中的调控失衡通常源于单个调控网络在协调复杂途径时的僵化，尤其是在尝试实现最佳时间流分布时。虽然静态过表达常常导致代谢拥堵，但Gupta等人展示的动态控制可以通过外部群体感应电路重新定向代谢流（Gupta等人，2017）。在E. coli中，这使得肌醇的产量增加了5.5倍，葡萄糖酸的产量从无法检测的水平提高到超过0.8克/升。这种额外调控电路的需求 quantitatively 强调了单一菌株的固有局限性，即它无法自主实现对细胞代谢不断变化的必要时间控制。相反，在合成联合体中实现这些功能提供了一种结构上的替代方案。因此，基于自然群落相互作用原理合理设计的SMCs已成为一种关键策略。

SMCs被定义为具有互补功能的两种或更多菌株的集合（Liu等人，2024b），通过将途径分解为专门的模块并利用菌株间的相互作用来优化代谢过程（Tsoi等人，2018；Wintermute和Silver，2010）。与单菌培养相比，SMCs具有六个基本优势：（i）代谢负担重新分配，（ii）宿主特异性优化，（iii）不兼容途径的空间解耦，（iv）动态流控制，（v）扩展的底物利用，以及（vi）模块化的“即插即用”生物合成（图2和表1）。虽然在天然产物生物合成和污染物降解等领域显示出独特优势，但要将实验室成功转化为工业应用仍需突破一些关键瓶颈，例如如何精确调控种群稳态以及如何设计能够抵御环境扰动的稳健代谢相互作用网络。这些挑战推动了合成生物学工具箱的持续创新，从开发正交群体感应电路到构建空间结构化的合成生态位。鉴于该领域的广泛性，几乎不可能在一篇综述文章中描述迄今为止为利用SMCs所做的所有努力。因此，我们尝试重点关注构建和动态调控SMCs的策略及其在生物制造等领域的应用这两个关键方面。

合成微生物联合体的构建和动态调控

SMCs通过代谢劳动分工（DOL）和功能互补性显著增强了表型复杂性和环境鲁棒性。然而，它们的结构稳定性和长期功能维持——这是工业应用的前提——面临三个相互关联的核心挑战：（i）互惠交换的不对称性导致培养过程中种群比例的失控漂移；（ii）对环境扰动（如底物波动）的敏感性

工程微生物联合体的生物合成应用

基于第2节中详细阐述的宿主选择、途径配置和动态调控的工程原理，SMCs在多种生物合成应用中展示了变革潜力。本节系统地回顾了它们将不同复杂性的底物（从定义的单碳源和双碳源）转化为有价值产品的应用，强调了SMCs策略如何克服单菌培养的固有局限性

新兴前沿——超越生物制造的SMCs

本节简要探讨了合成微生物联合体在工程化生物材料（ELMs）、环境修复和生物医学创新中的开创性应用，其中它们通过程序化的劳动分工实现了独特的动态、响应性和自我维持能力。

在ELMs的背景下，SMCs通过在不同菌株之间分配结构和功能角色，充当功能构建块（Wang等人，2024b）。

结论与展望

合成微生物联合体的构建代表了进化原理和生物技术创新的融合。然而，一个关键挑战仍然存在：虽然当前的联合体调控策略在实验室规模上有效，但在现场应用中仍缺乏充分验证，即使在受控环境中也可能经常面临固有局限性。研究表明，微生物相互作用不仅仅是生态现象

未引用参考文献

Wang等人，2024a

利益冲突声明

无。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（32470062）和微生物技术国家重点实验室内部联合项目基金（SKLMTIJP-2024–12）的资助。