微生物群落怎么“交换知识”

杜克大学(Duke University)的生物医学工程师展示了一种微生物群落现象，本质上相当于教会邻居如何通过切除和共享大脑的一部分来完成必要的任务。水平基因转移的过程可以让微生物群保持自身和环境的健康，并可以帮助科学家创建强大的、定制的微生物系统，应用范围从清洁环境中的毒素到生产生物燃料和其他消费品。

　　

   

   

Linchong You，杜克大学生物医学工程教授    

杜克大学的生物医学工程师展示了一种微生物群落现象，本质上等同于教会邻居如何通过切除和共享大脑的一部分来完成必要的任务。

这一过程可以让微生物群保持自身及其环境的健康，并可以帮助科学家创建强大的、定制的微生物系统，应用范围从清洁环境中的毒素到生产生物燃料和其他消费品。

这项研究发表在9月1日的Nature Chemical Biology。  

大而复杂的微生物群落生活在世界各地，从河流、山脉到人类和房屋。但是，无论是比较亚洲白雪皑皑山峰上的微生物群，还是同卵双胞胎胃部的微生物群，这些群落中的物种组成可能存在很大差异。

不管这些微生物在表面上看起来有多么不同，如果它们生活在相似的环境中，它们很可能会承担相同的功能。评估它们正在进行的过程的一种方法是关注编码功能的基因，而不是物种本身。

杜克大学生物医学工程You教授说:“如果你计算编码某些功能的基因拷贝的数量，它们的数量可以保持稳定，即使群落的物种组成发生巨大变化。达到这种稳定水平的一个重要途径是通过水平基因转移。”

水平基因转移是细菌通过交换被称为质粒的遗传物质包来不断分享新能力的遗传配方的过程。在概念层面上，这与创造一个知道如何制作千层面的神经元集合的副本，把它从你的脑袋里扯出来给朋友使用并不是完全不同。

在这篇新论文中，You和他的同事们表明，这种基因转移在保持微生物群健康和确保关键任务完成方面起着至关重要的作用。从两种不同的细菌开始，研究人员控制了水平基因转移的水平，并表明较高的水平转移率导致这些基因的浓度更稳定。

然后，该团队构建了一个多达72个细菌的群落，同时交换多达13个不同的基因，并测量了这些基因的稳定性。与更简单的模型一样，交易更频繁的基因在整个微生物群中保持一个稳定的水平。

“这些结果以前也曾被推测过，但从未在生活群落中量化过，”You说。“达到这种冗余程度的另一个途径是有多个物种可以执行相同的功能。但要达到同样的结果，高水平的水平基因转移是一种更可靠的方法。”

换句话说，如果现场的水管工也知道如何给建筑布线，那么建筑工人对于电工的辞职就会非常有弹性。但是，如果剩余的电工能够在需要的时候将他们的专业知识传授给任何工作人员，无论他们的职业是什么，那么同样的工作人员将会更有弹性。

未来，你希望研究自然微生物群落，以明确证明这种现象对实验室之外的微生物群健康很重要。他还计划在工程微生物系统中通过水平基因转移实现这种动态分工。

“在某些情况下，复杂的代谢途径很难在单一细菌物种中进行设计，而不同的种群更容易执行这个过程的不同步骤，”You说。“这项研究表明，我们可以通过基因转移来实施这一策略，这样我们就不必担心物种的特定组成。我们可以让社区找到自己的最佳平衡，同时仍然知道它会继续完成工作。”

Horizontal Gene Transfer Enables Programmable Gene Stability in Synthetic Microbiota