从“造物致知”到“造物致用”——一文了解合成微生物组工程

摘要：基于合成生物学研究思路，微生物组的设计、合成、测试和应用的研究得以开展，合成微生物组工程以“造物致知”和“造物致用”为核心理念，致力于构建可控的功能微生物群并应用于健康、农业、环境等不同领域。

基于合成生物学研究思路，微生物组的设计、合成、测试和应用的研究得以开展，合成微生物组工程以“造物致知”和“造物致用”为核心理念，致力于构建可控的功能微生物群并应用于健康、农业、环境等不同领域。

微生物无处不在、无时不在，作为一个群体，微生物影响着地球的生态和人类的生产生活方式。进入21 世纪以来，微生物学研究取得了长足的进展，随着人们对微生物与环境质量、宿主健康与疾病等关系的研究和知识积累，微生物学研究开启了微生物组学新篇章。

从微生物发现到微生物组概念形成

随着研究技术的进步以及人们对多学科交叉、涉及多领域的微生物组概念内涵的逐步理解，微生物组研究开始进入崭新的阶段——从“造物致知”到“造物致用”的范式转化，进而推动了合成微生物组工程研究的发展。

合成微生物组是人工设计和构建的微生物群，即针对原始微生物组成员多样、互作网络结构复杂、难重复、不易控制的特点，依照一定的原理（特别是生态学原理），通过在实验室中开展“自上而下”或“自下而上”的理性设计方式，利用人工合成的特定技术把微生物组的各个必要成员精确组合到一起，从而构建的具有适中复杂度和较高可控性的、简化的微生物群（van Leeuwen et al.，2023）。合成微生物组在设计之初就必须有明确的应用目标，包括改善人类健康、改善环境、提高农业和工业生产效率等。例如，在医学健康领域，合成微生物组可用于疾病预防与治疗；在环境领域用于生态环境修复与污水处理；在农业领域用于改善土壤肥力以及作物性状；在工业生产方面用于提高发酵水平及产量或改善风味；在可再生资源生物转化以及生物能源合成方面也有应用潜力（徐昭勇等，2021）。合成微生物组工程就是利用工程化思维来合成一个有特定功能的微生物群，要解决的两个核心问题是：合成微生物组的人工设计，以及合成微生物组的应用。

人肠道菌群的主要功能

合成微生物组的理性设计主要包括“自上而下”（top-down）和“自下而上”（bottom-up）两种策略（Lawson et al.，2019）。“自上而下”的方法是在对原始微生物组理解相对有限的情况下，通过控制环境条件，或者在一定内外源扰动因素作用下，驯化具有特定功能的合成微生物组，预测生态系统中微生物群的变化过程和规律。“自上而下”的设计通常要明确核心微生物群（core microbiota）（Shade and Handelsman，2012），即在类似生活环境中或具有类似功能的不同微生物菌群中共有的一组微生物成员。构建研究成员最少的核心微生物群，有利于识别复杂原生微生物组中稳定、一致、起核心关键作用的组分，是了解复杂微生物组结构和功能的时空变化规律、稳定性和可塑性的重要手段。此外，复杂微生物关系网络中与其他组分关联性高的枢纽物种（hub species）可能在微生物组复杂相互作用中发挥着至关重要的作用，枢纽物种可以作为指示类群（indicatortaxa），特异性指示某种实验处理或环境条件的类群（De Cáceres et al.，2010），帮助理解微生物组动态变化的动力学模式。

随着微生物组学方法学体系的逐步发展，研究者可以通过多组学数据预测微生物群落特定的代谢网络及其调控机制，进而开展合成微生物群“自下而上”的理性设计和组装，这与合成生物学以“设计-构建-测试-学习”为核心的理念更为一致，路径相通。“自下而上”的设计路线以功能为导向，侧重于评估群体中单个物种的代谢特征和功能（例如抗炎能力），并将每个物种都作为一个功能模块用于群体的搭建，以实现所设计的最终功能（邓婷等，2020；徐昭勇等，2021）。由于对非模式微生物生理代谢机制的研究相对匮乏，“自下而上”的设计在非模式微生物群落中的应用还很有限（Lawson et al.，2019），大多数的合成共生微生物组（SynComs）是利用模式微生物组成的简单群落（朱彤和吴边，2019）。

基于平板涂布法的粪便样本中厌氧微生物分离培养的一般流程示例（杜梦璇，2021）

微生物组应用的最典型案例是粪菌移植（fecal microbiota transplantation，FMT），即将健康人粪便中的功能菌群移植到患者肠道内以修复或重建新的肠道菌群和生态系统，从而恢复免疫系统平衡、提高病原菌抗力、实现肠道内外疾病的治疗。粪菌移植已被尝试用于炎症性肠病（IBD）、艰难梭菌感染、代谢综合征等疾病的治疗，并取得了积极的临床效果（de Groot et al.，2017）。然而，粪菌移植采用的是原始的肠道微生物菌群，治疗机理不明确，功效偶然性大，且仍存在细菌感染的风险（Blaser，2019；DeFilipp et al.，2019），因此，未来还需要采取更加可控的、基于人工设计的合成微生物组的方法，进行肠道微生物菌群的调节和控制。目前，已有合成肠道菌群在炎症性肠病治疗方面的应用。例如，Honda 团队在2018 年开发的菌群药剂VE202 进入临床研究，用于调节宿主的免疫系统紊乱（Atarashi et al.，2013，2011）。该团队利用健康人体粪便中分离出的11 种细菌菌株组成合成菌群，该菌群可以在肠道中稳健地诱导产生γ干扰素的CD8 T 细胞，并用于癌症的免疫辅助治疗（Tanoue et al.，2019）。2022 年，来自美国斯坦福大学的研究人员通过分析人类微生物组计划（Human Microbiome Project，HMP）产生的宏基因组数据，在体外构建了一个由104 种细菌组成的人类肠道微生物组hCom1 （human community one），随即将其升级为更接近肠道微生物组的hCom2，其由119 种细菌组成，是迄今为止最为复杂、完整的合成微生物组，展现了与天然肠道微生物组相近的抗病功能（Cheng et al.，2022）。