山东大学海洋研究院林璐课题组长期致力于微生物驱动木质纤维素产能研究。近期，在生物能源专业期刊Biotechnology for Biofuelsand Bioproducts发表题为“Bottom-up synthetic ecology study of microbial consortia to enhance lignocellulose bioconversion”的综述文章。

文章首先总结出目前发展木质纤维素产能菌群的主要思路：“自上而下”的富集和“自下而上”的共培养。这两种策略各有优缺点。“自上而下”富集策略包含上千个成员，这无疑加大了我们解析菌群相互关系网络的难度。此外，并非所有天然菌群中的有效成员均能在实验室培养，且连续富集培养过程可能导致菌群成员组成和功能的不稳定。“自下而上”共培养策略目前主要是基于菌株、菌群的随机组合和已知的、简单的代谢产物交换，其产能效率通常低于富集菌群。而且两种策略都缺乏对群落各成员具体功能，以执行整个群落生态功能的机制阐述。

为理解群落的功能，进而操控它们执行特定的生态功能，文章随后探讨了群落中成员间的协同的作用方式：共生和互惠。它们能驱动成员相互合作，执行不同但又互补的任务。接着，文章提出引入合成生态学理论，采用“自下而上”思路，构建合成微生物群落新思路（图2）。该研究思路需要考虑三个方面，1）通过数学模型和计算生物学，理性设计成员间的合作方式，取代现有的靠直接或随机组合成员间的组合方式；2）通过生物膜或遗传元件等对成员进行时空组织，以优化合成效率；3）通过群体感应，细菌素等遗传元件精确调控群落各成员比例，以维持群落稳定性。该思路的提出，为现有的微生物产能研究提供了新的见解，有望解决当前微生物驱动木质纤维素产能效率低等瓶颈问题。

环境中蕴含着丰富的微生物资源，在驱动碳元素循环和能量流动方面起着重要作用。木质纤维素是地球上最丰富的有机碳库，因此微生物驱动木质纤维产能的研究是二氧化碳减排和新能源开发过程中不可忽视的重要部分。然而木质纤维素，尤其是木质素，由于其结构复杂，仍属于未充分利用的可再生资源。随着系统生物学和合成生物学的飞速发展，国内外研究者发展了各种代谢工程策略来设计、改造微生物代谢途径，显著提高了木质纤维素的产能效率。与此同时，单菌株在这种高度复杂底物转化过程中的局限也益发发突出。这是因为木质纤维素转化涉及到的多种酶和途径通常不会同时存在某一个菌株，更无法全部引入单个菌株内。自然环境中，微生物形成群落，每个成员各司其事，协同互作，共同完成木质纤维素生物转化。而且，与单菌株相比，群落展现了更好的鲁棒性和适应性，从而能更好的抵抗环境的扰动（图1）。故借助合成微生物组产能，有望突破现有瓶颈。

图1：微生物群落成员互作，驱动物质、能量循环，并抵制环境扰动。

该工作获得国家自然科学基金，国家重点研发计划，山东大学基本科研业务费专项资金等项目的支持。

文章链接：https://biotechnologyforbiofuels.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13068-022-02113-1

（供稿人：林璐；审核人：李鸥、张雪、张振山）