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2000 EM 人工选择 3-氯苯胺生物降解微生物生态系统

已有 154 次阅读 2024-6-19 10:43 |个人分类:工程微生物组|系统分类:科研笔记

原文链接：Artificial selection of microbial ecosystems for 3‐chloroaniline biodegradation - Swenson - 2000 - Environmental Microbiology - Wiley Online Library

Abstract

We present a method for selecting entire microbial ecosystems for bioremediation and other practical purposes. A population of ecosystems is established in the laboratory, each ecosystem is measured for a desired property (in our case, degradation of the environmental pollutant 3-chloroaniline), and the best ecosystems are used as ‘parents’ to inoculate a new generation of ‘offspring’ ecosystems. Over many generations of variation and selection, the ecosystems become increasingly well adapted to produce the desired property. The procedure is similar to standard artificial selection experiments except that whole ecosystems, rather than single individuals, are the units of selection. The procedure can also be understood in terms of complex system theory as a way of searching a vast combinatorial space (many thousands of microbial species and many thousands of genes within species) for combinations that are especially good at producing the desired property. Ecosystem-level selection can be performed without any specific knowledge of the species that comprise the ecosystems and can select ensembles of species that would be difficult to discover with more reductionistic methods. Once a ‘designer ecosystem’ has been created by ecosystem-level selection, reductionistic methods can be used to identify the component species and to discover how they interact to produce the desired effect.

摘要

我们提出了一种为生物修复和其他实用目的选择整个微生物生态系统的方法。我们在实验室中建立了一个生态系统群体，对每个生态系统的预期特性（在我们的例子中是降解环境污染物 3-氯苯胺）进行测量，并将最好的生态系统作为 "亲代"，接种到新一代的 "子代 "生态系统中。经过多代变异和选择，生态系统变得越来越适应产生所需的特性。这一过程与标准的人工选择实验类似，只是选择的单位是整个生态系统，而不是单个个体。这一过程也可以从复杂系统理论的角度来理解，即在广阔的组合空间（成千上万的微生物物种和物种内成千上万的基因）中寻找特别擅长产生所需特性的组合。生态系统级选择可以在不了解构成生态系统的物种的情况下进行，并且可以选择用更简化的方法难以发现的物种组合。一旦通过生态系统级选择创建了一个 "设计生态系统"，就可以使用还原方法来确定组成物种，并发现它们如何相互作用以产生所需的效果。

图1 实验中使用的生态系统选择程序。在每种处理中，我们将 15 个装有稀释营养肉汤和 12.2 µg/L 3-氯苯胺的试管接种自然存在的细菌群落样本。然后将试管培养 4 天，评估它们降解异物的能力。从生态系统水平表型分布（图中理想化）的高端选出三个试管，接种到一组新的试管中。这一选择循环重复了 30 代。对照品系采用相同的程序，但随机选择试管接种后代。

图2 试管微生态系统培养基中 3-氯苯胺浓度的变化是生态系统水平选择的结果。测量 550 nm 波长处的光吸收率，并根据每一代实验中已知浓度的无菌样本的总体回归结果，将其转换为 3-氯苯胺的浓度（µg/L）。每个点代表 15 个重复微生境的平均值。叠加的趋势线代表第 4 代至第 30 代平均值的最小二乘法线性最佳拟合（省略了前三代的 "实验噪音"）。

表 1. 每个重复品系的单个方差分析，比较同一品系在五个 "早期 "世代（4-8 代）和五个 "晚期 "世代（25-30 代；不包括第 27 代，因为我们在该世代遇到了测量问题）的氯苯胺减少情况。