什么是合成生态学？通过改造环境来促进健康

研究人员发现，在他们的实验中，为微生物群落提供更多种类的食物来源并不能增加微生物种类的多样性，但更多的食物确实能促进更多的微生物生长。该团队的最终目标是学习如何通过食物来源等环境分子来指导微生物的行为。

　　

目前人们对如何利用不同的微生物群（比如由我们肠道中所有细菌组成的微生物群）来促进人类健康和治疗疾病非常感兴趣。但丹尼尔·塞格；他将目光投向了一个更为雄心勃勃的愿景，即如何对微生物群进行永久控制：“帮助维持我们的地球，而不仅仅是我们自己的健康。”；，波士顿大学微生物组倡议的负责人说，他和他所在的合成生物学和系统生物学领域的其他科学家正在研究微生物组——细菌、真菌的微观群落，或者它们的组合对彼此和周围环境产生影响。他们想知道微生物群是如何被引导去执行重要任务的，比如吸收更多的大气碳，保护珊瑚礁免受海洋酸化，提高农业用地的肥力和产量，在不断变化的环境条件下支持森林和其他植物的生长。

“微生物通过自身的代谢过程影响我们人类，通过它们的消耗和分泌影响我们的星球，它们帮助我们呼吸氧气，”Segregrave说，“很久以前，微生物使多细胞生命成为可能。”

但是，与其他许多致力于直接增强或基因工程微生物的合成生物学家不同，Segregrave；他更感兴趣的是如何通过调整微生物所处的环境条件来指导微生物的行为，他说这种方法可以更好地描述为“合成生态学”。

“更传统的合成生物学方法是操纵微生物的基因组，”Segregrave；他说但我们正试图利用环境分子操纵微生物生态系统。“我们知道微生物与环境的相互作用很重要，”Alan Pacheco说，他在Segregrave工作，获得了生物信息学博士学位他说：“这些相互作用中有些有益于几个微生物物种，有些只有益于一个群落中的一个物种，有些可能对某些物种有害。”但是我们仍然不知道为什么这些相互作用会以这种方式发生。”

在最近发表在《自然通讯》上的一项新研究中，Segregrave；，帕切科和他们的合作者梅丽莎·奥斯本（Melisa Osborne），一位在Segregrave；的研究科学家研究了32种不同的环境分子或营养物质的存在，单独或与其他物质结合，将如何影响微生物群落的生长速度，以及构成特定微生物群的不同物种的混合，帕切科现在是ETH Zuuml的博士后研究员，他说：“这些研究是基于西方饮食和狩猎采集者饮食的肠道微生物组的差异。”；有钱。狩猎采集者的饮食是机会主义的，包含了广泛的植物性食物来源，被认为比西方饮食更加多样化，这就是为什么狩猎采集者的饮食被认为是培养一个更健康的肠道。

但是实验结果让研究小组吃惊。他们预计，随着这些“虫子”更多地接触到各种食物——一系列碳，包括糖、氨基酸和复杂聚合物——他们将看到微生物群的增长和多样性增加，但这并不是他们精心控制的实验所揭示的。相反，他们观察到不同种类的微生物之间对食物的竞争阻碍了微生物群落内的多样化。我们的研究结果表明，单靠环境的复杂性不足以维持群落的多样性，并为设计和控制微生物生态系统提供了实际指导，“作者写道。

那么，控制微生物多样性的机制是什么？”要找出所有这些相互作用的原因还需要一些时间；尽管在他们的实验中，增加食物来源的多样性并没有增加微生物种类的多样性，但是更多的食物确实促进了更多的微生物生长我们发现产量取决于碳源的总数，而不是碳源的种类；他说就像野餐时的人们——如果有足够多的人来参加野餐，不管不同食物的分布如何，最终所有的东西都会被吃掉。在我们的许多实验中，微生物群落最大限度地消耗了最后一点碳源。”

帕切科补充说，如果有人能消耗某些东西，其他人就可以在这方面超越他们他说：“我们的实验表明，微生物多样性的关键调节因素是这些不同的生物在多大程度上相互竞争资源。”生物竞争越多，群落的多样性就越低。”

研究小组计划对其他环境因素进行更多研究，调查营养物质的获取和多样性如何随着时间的推移改变微生物群落，以及微生物群落所处的介质如何影响其分子的消耗和分泌。他们也在探索不同微生物物种之间的代谢过程如何相互作用，一些生物体连续或同时消耗多种资源的能力如何影响整个微生物组。

进一步打开并最终利用所有这些环境“旋钮”可以打开利用微生物组影响人类新陈代谢和健康或疾病状态的大门生态系统

Journal Reference:

1. Alan R. Pacheco, Melisa L. Osborne, Daniel Segr�. Non-additive microbial community responses to environmental complexity. Nature Communications, 2021; 12 (1) DOI: 10.1038/s41467-021-22426-3