微生物群落被生物技術(shù)供應(yīng)商廣泛用于制造生物燃料和新食品等過程，或幫助農(nóng)作物更好地生長。要設(shè)計(jì)出成功的微生物群落，科學(xué)家們需要預(yù)測微生物是否能共同生活和工作。一種流行的預(yù)測規(guī)則認(rèn)為，如果一對微生物能夠共存，那么它們也會(huì)在更大的微生物群落中共存。在一項(xiàng)新的研究中，來自美國耶魯大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)這一簡單的規(guī)則并不總是有效。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2023年7月21日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Emergent coexistence in multispecies microbial communities”。

就像植物和動(dòng)物一樣，微生物也生活在復(fù)雜的生態(tài)群落中，這些群落由許多相互共存的物種組成。微生物群落遍布地球的各個(gè)角落，它們在生物技術(shù)領(lǐng)域也發(fā)揮著日益重要和極具前景的作用。人們正在設(shè)計(jì)微生物群落，以便在生物煉制廠中生產(chǎn)生物燃料和其他必需品，創(chuàng)造新的食物，或幫助農(nóng)作物更好地生長。因此，學(xué)習(xí)如何設(shè)計(jì)微生物群落以改善它們提供的服務(wù)是生物技術(shù)的一個(gè)主要目標(biāo)。

對微生物群落進(jìn)行改造的主要障礙之一是，并非所有微生物都能彼此共存。即使我們成功地設(shè)計(jì)出一種潛力巨大的微生物群落，其中的許多成員也很可能會(huì)滅絕。因此，科學(xué)家們正試圖找到預(yù)測不同微生物物種之間是否會(huì)共存的方法。

一種簡單的規(guī)則

在這項(xiàng)新的研究中，這些作者研究了如何預(yù)測復(fù)雜微生物群落中細(xì)菌的共存情況。他們研究了一個(gè)流行的假說：為了使多個(gè)物種（比如 A、B 和 C）作為一個(gè)群落共存，每一對物種都作為孤立的一對必須彼此共存，比如 A 必須與 B 共存，B 必須與 C 共存，C 必須與 A 共存。這一假說在過去幾年中逐漸流行起來，而且非常誘人，因?yàn)槿绻瞧毡檎_的，它將為預(yù)測復(fù)雜微生物群落中的共存提供一種簡單實(shí)用的方法。

為了驗(yàn)證這一假設(shè)，這些作者決定將12個(gè)不同的微生物群落分開，其中每個(gè)微生物群落包含3到10種共存的物種。然后，他們比較了每一對可能的微生物，發(fā)現(xiàn)與上述假設(shè)相反，大多數(shù)微生物對不能共存。換句話說，這種預(yù)測共存的簡單規(guī)則并不總是有效，這表明，當(dāng)涉及到共存時(shí)，整體往往大于部分的總和。

新的預(yù)測工具

這篇論文強(qiáng)調(diào)預(yù)測哪些微生物可以共存這一重要問題尚未解決，因此需要開發(fā)新的預(yù)測工具。雖然這可能被視為壞消息，但它實(shí)際上是一個(gè)巨大的飛躍，因?yàn)樗_定了在微生物群落中，整體遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于部分的總和。這將幫助我們建立新的模型，最終幫助我們設(shè)計(jì)新的微生物群落。

從土壤和植物樣品中分離的微生物菌群的組成和多樣性。圖片來自Science, 2023, doi:10.1126/science.adg0727。

耶魯大學(xué)工業(yè)微生物學(xué)助理教授 Djordje Baji? 說，“我們正試圖理解我們在微生物群落中看到的驚人的多樣性。如此多的物種如何在同一個(gè)微生物群落中共存？”

了解微生物如何共存對于更好地了解我們的世界非常重要，因?yàn)槲⑸锶郝鋷缀醣椴嫉厍虻拿恳粋€(gè)表面，Baji? 解釋說，“”它們在全球元素循環(huán)中發(fā)揮作用，對于我們自身腸道微生物組的健康也至關(guān)重要。這項(xiàng)研究肯定會(huì)對我們了解微生物群落和微生物組產(chǎn)生影響。它還將為建立模型和技術(shù)以設(shè)計(jì)微生物組提供信息，并引導(dǎo)現(xiàn)有的微生物組達(dá)到許多應(yīng)用（比如，在健康、廢水處理、生產(chǎn)可持續(xù)生物農(nóng)藥和基于微生物的生物肥料等方面）中的理想狀態(tài)。

你可以把這項(xiàng)新的研究想象成在一個(gè)聚會(huì)上，你喜歡很多人，但你不喜歡很多人。既定的想法是，你需要喜歡派對上的每一個(gè)人，這樣才能玩得開心。當(dāng)然，情況并非一定如此。你可以對不喜歡的人視而不見，選擇和其他人聊天度過一晚。你甚至可以參與與你不太喜歡的人的討論，只要其他人也參與這些談話，你仍然可以玩得很開心。（生物谷 Bioon.com）

參考資料：

Chang-Yu Chang et al. Emergent coexistence in multispecies microbial communities. Science, 2023, doi:10.1126/science.adg0727.