【LorMe周刊】从生态位层面优化生物发酵和提高产物输出
作者：任鹏，南京农业大学博士在读。主要研究根际资源与微生物互作。
导 读
无论是过去还是现在，微生物发酵在某些物质的合成方面都占有重要地位。以往的几十年间，发酵主要以单菌为主导，而随着研究的深入人们发现，单菌发酵存在的功能性低、代谢负担大等弊端限制了产物的高效输出，因此利用合成菌群提高发酵效率或实现更为复杂的生物转化成为目前的研究热点之一。文章中，作者从生态位的角度出发，首先介绍了如何利用资源分配和营养互作两种生物方法构建合成菌群，以提高发酵效率。此外，作者还补充了一种工程手段，具体为将合成菌群各成员分布在具有不同环境的空间生态位中，以实现对具有底物竞争、不同环境因子耐受条件的合成菌群的精准控制。
单一菌株可以完成由底物到产物的发酵过程，但较重的代谢负担限制了产物的高效输出，该问题在底物组成较为复杂时（如秸秆等）尤为突出。有研究发现，微生物以复杂的资源为底物进行发酵时会根据其“喜好”优先利用底物中的某种或某类碳源，进而导致培养周期长、底物利用率低等问题。针对该现象，文章指出，可以通过基因敲除方法构建利用不同类型碳源的突变体，同时代谢底物中的不同碳源实现“多线程”式的快速发酵。如Andrew D. Flores等通过构建两株利用不同碳源的大肠杆菌实现木质纤维素到目标产物的高效发酵过程（图1）。
该方法基于同一菌株的不同突变体构建合成菌群，且不同成员之间无养分竞争效应，因此在复杂底物单菌发酵中可以考虑此方法，但前提需要保证突变后菌株仍能实现底物到目标产物的发酵。
图1 木质纤维素“多线程”式发酵
（图片来自文章：Engineering a Synthetic, Catabolically Orthogonal Coculture System for Enhanced Conversion of Lignocellulose-Derived Sugars to Ethanol）
由于同一菌株不同突变体组成的合成菌群中各成员底物需求的差异性，不同突变体之间近似于独立的存在，因此在稳定性得以保障的同时也能极大地提高发酵效率，该方法在一定程度上为优化发酵工艺、减少代谢负担提供了思路。
除此之外，另一种有效减少代谢负担的方式是将不同的代谢途径分配给不同的微生物，即基于营养互作进行劳动分工和菌群构建，实现由底物到产物的发酵过程。需要注意的是，微生物A利用底物产生的中间代谢产物能够被微生物B利用，同时微生物B无法以A的底物作为能源物质，以保证各微生物在“食物链”中占据各自独特的生态位。其中典型的案例是Zhou等人构建的由大肠杆菌和酵母菌组成的合成菌群，该菌群通过营养互作和劳动分工实现由木糖到紫杉醇的定向转变（图2）。
由于该方法涉及不同微生物之间的营养互作，因此，为了尽可能避免微生物之间的竞争所带来的不稳定性，在发酵底物较为单一时可能较为适用。
图2 木糖到紫杉醇的分步转化
（图片来自文章：Distributing a metabolic pathway among a microbial consortium enhances production of natural products）
理论上，即便底物组成较为复杂时，仍可从营养互作的角度进行菌群构建，前提是菌群内部不会产生共享资源（public goods），否则可能会导致积极的营养互作转化为激烈的竞争作用，从而限制菌群功能的发挥。
以秸秆高值化利用为例，目前研究较多的是将降解菌降解木质纤维素产生的可溶性多糖供给其他功能微生物利用以合成人类所需要的产品。其中可溶性多糖是发酵中产生的共享资源，降解菌对这类资源的竞争作用会导致用于合成目标产物的碳通量大大减少，进而影响产量。因此，在这种情况下，需要人为地对菌群内各成员进行空间生态位的分隔，具体如下图3所示。在该装置中，不同的微生物分布在不同的空间中，即避免了直接竞争，也可以为不同的微生物提供特定的环境条件（氧气、温度、光照等），同时还能对成员数量、碳源流动进行精准控制。典型的案例是基于该发酵系统实现不同氧气需求的三种微生物的共存和产物发酵【请参考：乳酸发酵系统——合成菌群定向发酵中的万金油】。
图3 空间生态位分离的发酵系统
总 结
论文信息
原名：Engineering of ecological niches to create stable artificial consortia for complex biotransformations
译名：基于生态位构建稳定生物转化功能的合成菌群
期刊：Current Opinion in Biotechnology
发表时间：2020.4
通讯作者：Michael H. Studer
作者单位：伯尔尼应用科学大学