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Science 文章——一种合成微生物菌群中的基因共振现象

已有 6495 次阅读 2015-9-1 10:26 |系统分类:科研笔记| 合成生物学, 微生物群落

随着合成生物学的迅猛发展,研究领域已从单一生物扩展到多个生物构成的共生体系,最近有多篇发表在Nature、PNAS等高水平期刊上的文章介绍微生物菌群的构建、基础理论、应用案例等,但是合成微生物菌群的基础构成原理、群落中微生物群体之间的相互关系、物质与信息的交换原理等关键问题还有待解决。本博文介绍的《Science》文章(Emergent genetic oscillations in a synthetic microbial consortium.)在上述问题上进行了很多有意思的研究。在此,与大家分享本人的一些理解。

这篇文章基于quorum-sensing系统构建了两种大肠杆菌的共生体系,一种大肠杆菌扮演“激活剂”的角色,另一种扮演“抑制剂”的角色,通过构建复杂的基因电路,在两种微生物之间之间形成交互的、相互制约的共生关系(图1),结合数学模型研究了在不同环境下共生系统的行为变化。此外,作者比较了包含不同交互关系的共生体系的行为表现。在本研究中作者发现了很多有意思的结果,比如单个培养的微生物中没有共振现象;在共生系统中,更多的负反馈抑制有助于系统的稳定;更多的正反馈调节有利于维持“激动剂”菌落中的振荡现象;更复杂的交互关系可以提高共生系统的鲁棒性(robustness)。


图1:微生物群落的构建。

个人认为,这篇文章有以下几方面的意义:

1)为人工构建微生物群落提供了重要参考,包括单个微生物的功能设计原理、如何维持共生体系行为的持续性、稳定性。

2)对于揭示和改造天然的微生物系统提供了重要的线索。众所周知,自然界中存在很多的共生体系,如产沼气菌群、肠道微生物菌群等,这些都是与人类的能源需求、健康、生活等密切相关的生物体系,现在人类对他们的了解很少,严重阻碍对它们的改造与利用。这篇论文的研究对于解析天然微生物菌群的构成、行为变化、系统平衡等方面的问题具有重要的参考价值。

3)本研究论文的研究结果显示微生物菌群的构成规则与人类社会在某些方面有一定的相似性。譬如,系统中更多的负反馈抑制(相互制约)可以提高系统的稳定性。在人类社会生活中,所有组织中的个体之间只有建立相互约束、形成利益共同体,才能形成相对稳定、和谐的系统。庞大复杂的人类社会与渺小精细的微生物群落之间存在着某种关联,这是多么有意思的现象。在人工微生物群落研究、设计中中引入社会学、管理学的方法和思维是可以尝试的研究新思路。

本人对该文的理解有限,恳请广大博友批评指正!

原文附件:Science-2015-Chen-986-9.pdfChen.SM.pdf



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1 曾杰

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