近日，我室唐鸿志教授课题组在《mLife》上在线发表了题为“Guided by the principles of microbiome engineering: Accomplishments and perspectives for environmental use”的综述文章。该文回顾了近年来微生物组工程理论方面的前沿研究，以及在环境领域中的经典应用，并对未来的研究思路进行了展望。上海交通大学助理研究员胡海洋与苏黎世联邦理工学院博士后王淼啸为文章共同第一作者，唐鸿志教授与北京大学聂勇副研究员为共同通讯作者。
文章首先回顾了近期微生物组工程领域的重要理论成果，即通过“自下而上”和“自上而下”的设计策略，以及“design-build-test-learn”(DBTL)循环实现工程微生物组的理性设计。基于最新研究成果，详细归纳了如何基于天然菌株或工程菌株“自下而上”地构建工程微生物组，以及通过直接富集（enrichment）、人工筛选（artificial selection）和定向进化（directed evolution）三种策略“自上而下”地构建工程微生物组。
图1 结合DBTL循环的两种微生物组工程设计策略（“自下而上”和“自上而下”）
结合上述理论研究，文章还总结了多种数学模型在微生物组工程中的应用案例，并分析了各类模型的优劣势和使用范围。在“自下而上”策略中，重点讨论了代谢分工理论在构建高效降解微生物组的优势、瓶颈和发展趋势；而“自上而下”策略中的人工筛选和定向进化两种方法，在筛选高效降解菌群方面的巨大潜力。基于目前环境领域应用中的瓶颈问题，总结了一套将两种策略串联的研究思路。针对微生物组工程在环境领域的应用，文章提出，污染物降解工程微生物组的设计须避免对人体健康有害的有毒中间体积累，并基于此提出了多条新的设计策略。
图2 “自上而下”+“自下而上”的串联研究思路示意图
综上所述，通过微生物组工程研究，可理性设计出高效、稳定、安全、可预测的微生物组。将来应该进一步研究如何调控环境因素、设计微生物相互作用和编辑菌株特性，理性设计工程微生物组，使其发挥更理想的功能。还应在更复杂的原位环境条件下检验微生物组工程理论的可行性，从而推动更多定量理论与技术的发展，并指导未来微生物组工程的研究。
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