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在生物制造中，单培养与共培养系统各有优劣，如何高效选择成难题。研究人员开发 COSMOS 动态计算框架，系统模拟比较两者，发现环境、微生物互作等是关键因素，还预测高效共培养系统，为可持续生物工艺和循环经济铺路。
论文解读
在生物制造领域，利用微生物将可再生资源转化为高价值产品是实现可持续发展的重要路径。然而，微生物单培养（Monocultures）和共培养（Co-cultures）系统各有优劣：单培养易于控制和工程化改造，但生产力易达瓶颈；共培养虽具代谢多样性和协同合成优势，却面临体系复杂、优化难度大的挑战。如何在特定环境下系统性评估并选择最优微生物系统，成为制约高效生物工艺开发的关键问题。
为解决这一难题，印度理工学院马德拉斯分校（Indian Institute of Technology Madras）的研究人员开展了相关研究，开发了社区和单一微生物优化系统（COmmunity and Single Microbe Optimisation System, COSMOS）这一动态计算框架，旨在通过模拟和比较单培养与共培养系统，确定适合特定环境的最优微生物系统。该研究成果发表在《npj Systems Biology and Applications》上。
主要关键技术方法
研究主要采用动态通量平衡分析（Dynamic Flux Balance Analysis, dFBA）和通量变异性分析（Flux Variability Analysis, FVA），结合多种环境条件（好氧 - 富营养、好氧 - 基本、厌氧 - 富营养、厌氧 - 基本）和碳源（乳糖、蔗糖、木糖等），对成对共培养系统（9C2）及单培养进行模拟，通过计算生产力比率（Productivity Ratio）、互作类型（如互利共生、寄生等）和丰度比等指标，评估系统性能。
研究结果
环境条件对微生物系统的影响
通过在四种环境条件下对多种产品的生产力分析发现，好氧 - 富营养环境总体生产力最高，但具体产品的最优系统因环境而异。例如，富马酸在各环境中均以共培养表现最佳，而亚精胺多由单培养主导。厌氧环境中，共培养因代谢物交换和互作平衡，常优于单培养，如 Shewanella oneidensis–Klebsiella pneumoniae 共培养在厌氧条件下成为 1,3 - 丙二醇（1,3-propanediol）的高效生产者，与实验数据高度吻合。
微生物互作类型与生产力的关联
将共培养互作类型分为竞争、寄生、互利共生等六类，发现互利共生（Mutualism）通常带来最高生产力提升，寄生（Parasitism）次之，而竞争等负向互作影响较小。随着环境从好氧转向厌氧，微生物互作趋向合作，如 S. oneidensis–K. pneumoniae 在厌氧条件下从寄生转为互利共生，代谢物交换增强，促进生产力。
碳源偏好与系统优化
不同碳源对单培养和共培养的生产力影响显著。乳糖、蔗糖等利于共培养，木糖、果糖则更适合单培养。在好氧 - 富营养环境中，碳源充足可能缓解竞争，使部分共培养利用木糖、果糖表现优异，而在其他环境中，复杂碳源代谢促使共培养产生代谢协作，如假单胞菌依赖共培养伙伴分解麦芽糖。
初始生物量比与系统性能
以 1,3 - 丙二醇生产为例，调整接种比例发现，增加 K. pneumoniae 的接种量可提升两种共培养系统的产品浓度，但对生物量和丰度比影响不同。S. oneidensis–K. pneumoniae 共培养在 1:1 和 2:1 比例下均表现良好，验证了接种比优化对生产力的调控作用。
研究结论与讨论
COSMOS 框架通过系统性比较单培养与共培养，揭示了环境条件、微生物互作、碳源等因素对生物合成效率的影响机制，为微生物系统的理性设计提供了关键工具。研究证实，共培养在营养受限和厌氧环境中具独特优势，而单培养在工艺 simplicity 上更具吸引力。例如，在利用农业废弃物等低质原料时，共培养的代谢多样性可提升资源利用率，契合循环经济需求。
该研究不仅为生物制造中微生物系统的选择提供了量化依据，还通过实验验证（如 S. oneidensis–K. pneumoniae 共培养的 1,3 - 丙二醇生产）证明了 COSMOS 的可靠性。尽管存在动力学参数简化等局限性，但其在预测代谢趋势和优化系统配置方面的价值显著，为可持续生物工艺开发和全球向循环生物经济转型奠定了基础。未来，结合多组学数据和更高阶微生物群落建模，COSMOS 有望进一步提升生物制造的效率与可持续性。
