著名經(jīng)濟(jì)學(xué)家Adam Smith在經(jīng)典著作《國富論》中指出，分工是提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和增加國民財(cái)富的主要途徑之一。同人類等其他高等生物群體一樣，微生物群落也是一個(gè)復(fù)雜的高度組織化的“社會(huì)”。微生物代謝驅(qū)動(dòng)著全球生物地球化學(xué)循環(huán)。在微生物群落中，一條代謝途徑既可以由單一微生物種群來執(zhí)行，也可以由不同種群間的分工合作來完成，即代謝分工（Metabolic Division Of Labor, MDOL，圖1）。自然界中如硝化、甲烷厭氧氧化及復(fù)雜有機(jī)物的降解等很多重要代謝過程都以代謝分工的形式完成。然而，我們對(duì)這種代謝行為如何塑造微生物群落、分工群落如何穩(wěn)定存在知之甚少。如果微生物也有生產(chǎn)流水線，那么如何有序維持呢？工學(xué)院吳曉磊教授、聶勇助理研究員課題組通過一系列研究給出了答案：不患寡而患不均。

圖1：代謝分工群落的構(gòu)建原理

2022年9月27日，Cell Reports雜志刊發(fā)了吳曉磊、聶勇課題組題為“Even allocation of benefits stabilizes microbial community engaged in metabolic division of labor” 的研究論文。該論文構(gòu)建了可用于精確預(yù)測(cè)代謝分工微生物群落組裝的理論框架，為利用代謝分工策略設(shè)計(jì)和調(diào)控人工微生物群落奠定了理論基礎(chǔ)。

吳曉磊、聶勇課題組以降解復(fù)雜有機(jī)物的代謝分工群落作為研究對(duì)象，已解析了底物特性調(diào)控代謝分工群落構(gòu)建的規(guī)律（https://doi.org/10.1002/mlf2.12025），以及代謝分工群落的空間組裝特征（https://doi.org/10.1128/spectrum.01944-21）。在這些研究的基礎(chǔ)上，課題組基于描述代謝分工群落動(dòng)態(tài)的數(shù)學(xué)模型，通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)推導(dǎo)，建立了一個(gè)更精簡和全面的理論框架，用以預(yù)測(cè)該群落的穩(wěn)定性與組裝特征。這個(gè)框架（如圖1）指出：為了維持代謝分工群落的穩(wěn)定，負(fù)責(zé)線性代謝途徑中初始步驟的菌株應(yīng)該比執(zhí)行最后一步的菌株具有生長優(yōu)勢(shì)（m），且優(yōu)勢(shì)（m）必須大于最后一步菌株所獲得的“私有化利益”（n）。對(duì)于一個(gè)穩(wěn)定的代謝分工群落，執(zhí)行最后一步菌株的相對(duì)豐度等于n和m的商。研究進(jìn)一步通過對(duì)模式微生物菌株的遺傳改造，人工構(gòu)建了萘降解代謝分工群落。分析表明，代謝分工微生物群落的組裝可以由有限數(shù)量的參數(shù)決定。由數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)得到的理論框架可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)兩步和多步萘降解代謝分工合成菌群的的穩(wěn)定性和組裝特征。這一定量預(yù)測(cè)規(guī)律的提出有助于我們理解自然微生物群落的構(gòu)建原理，并為穩(wěn)定微生物系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)建與代謝途徑優(yōu)化提供了新的見解。本論文一名匿名評(píng)審專家指出：“我相信這項(xiàng)工作為微生物組工程的代謝途徑優(yōu)化研究作出了杰出貢獻(xiàn)。據(jù)我所知，這是第一次結(jié)合數(shù)學(xué)模型和實(shí)驗(yàn)分析來研究微生物代謝分工，是理論與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的完美結(jié)合。研究得到的數(shù)學(xué)原理是美妙的，并得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有力支持?！?/p>

本文第一作者是工學(xué)院2021屆博士王淼嘯（目前在瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院從事博士后研究），吳曉磊、聶勇為本文共同通訊作者。工學(xué)院博士生陳曉麗、劉曉楠，參與了研究結(jié)果的分析。瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Martin Ackermann教授對(duì)該研究提供了幫助。本論文在第二十三次全國環(huán)境微生物學(xué)術(shù)研討會(huì)上被評(píng)為“簡浩然環(huán)境微生物基金”優(yōu)秀論文。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFA0902100）和基金委中-瑞國際合作與交流項(xiàng)目（32161133023）的資助。

論文信息：

Miaoxiao Wang, Xiaoli Chen, Xiaonan Liu, Yuan Fang, Xin Zheng, Ting Huang, Yue-Qin Tang, Martin Ackermann, Yong Nie, Xiao-Lei Wu. 2022. Even allocation of benefits stabilizes microbial community engaged in metabolic division of labor. Cell Reports 40(13): 111410. https://doi.org/10.1016/j.celrep.2022.111410

來源：北京大學(xué)