本文由王淼啸（原文第一作者）编译。

导读

梁任公言：“无专精则不能成，无涉猎则不能通也。”治学需要专精和博学的辩证统一，匠人精神和兼修之道并行。各行各业的匠人通过分工协作，共同推动了生产力的发展。博学则拓宽了匠人的思维边界，激发了创新变革。在个人治学与事业中，“专”与“博”的权衡取舍贯穿始终。无数个人的不断权衡决定了社会发展的脉络。

同理，微生物社会的和谐发展和高效产出，也需要无数微生物“匠人”的分工协同。人类社会中“专”与“博”辩证统一的社会学原理是否可以应用到微生物社会中？1月17日，Cell子刊Cell Systems刊发了北京大学吴晓磊教授、聂勇副研究员课题组的最新研究成果《The trade-off between individual metabolic specialization and versatility determines the metabolic efficiency of microbial communities》。研究结合微生物群落高通量培养实验、数学模型仿真和生物信息学分析，揭示了微生物代谢水平“专”与“博”的权衡如何决定微生物社会的生产力。文章匿名审稿人指出：“这项工作针对不同模式代谢分工群落的优缺点进行了迄今为止最全面的研究......它是一项里程碑式的研究，展现了微生物代谢分工以及微生物组工程的强大魅力。”

图1 论文图片摘要：个体代谢专一性与多功能性的权衡决定微生物群落的效率。

同时，本研究是吴晓磊教授、聂勇助理研究员课题组针对微生物群落分工协作关系，取得的又一重要突破。课题组前期已在Cell Reports、ISME J、mLife等杂志上发表了一系列研究成果：

·揭示了在具有空间结构的环境中，微生物分工演化形成的条件（Wang et al, ISME J, 2021：

https://doi.org/10.1038/s41396-020-00858-x）

·提出了代谢分工群落稳定性和组装的定量规则（Wang et al., Cell Reports, 2022：

https://doi.org/10.1016/j.celrep.2022.111410）

·阐明了底物特性调控代谢分工群落构建的定量原则（Wang et al., mLife, 2022：

https://doi.org/10.1002/mlf2.12025）

·揭示了代谢分工群落的空间组装规律（Wang et al., Microbiology Spectrum, 2022：

https://doi.org/10.1128/spectrum.01944-21）

·揭示了代谢通量调控代谢分工群落构建的定量原则（Chen et al., ACS Synthetic Biology, 2023：

https://doi.org/10.1021/acssynbio.3c00022）

（小编注：本期推送转载了这些工作的相关公众号解读，请大家参考哦！）

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论文信息

英文标题：The trade-off between individual metabolic specialization and versatility determines the metabolic efficiency of microbial communities

中文标题：个体代谢专一性与多功能性的权衡决定微生物群落的效率

发表时间：2024.1

DOI：https://doi.org/10.1016/j.cels.2023.12.004

第一作者：王淼啸

通讯作者：聂勇，吴晓磊

合作作者：陈晓丽，方源，郑鑫，黄婷

作者单位：

北京大学工学院；瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zürich)- 环境系统科学系；瑞士联邦供水、废水处理与水体保护研究所(Eawag)-环境微生物学系；北京大学海洋研究院；北京大学生态研究院；合肥工业大学资源与环境工程学院

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科学问题

如何优化微生物代谢分工模式，实现更高效的群落功能？

研究背景

本研究以降解复杂有机物的代谢分工群落作为研究对象。在这类群落中，微生物呈现出多种社会组织形式。在完全代谢分工群落中，每个种群专一于降解途径中的一个特定步骤，表现出极端的“专一”代谢状态。相比之下，一个“超级菌株”种群可以独自完成代谢途径中的所有步骤，具备一种极端“广博”的代谢能力。同时，还有许多介于两种极端情形之间的中间状态：在一些分工群落中，每个种群不只单一从事一项代谢任务，也不像“超级菌株”完全负责所有任务，而是完成多个非全部的代谢任务，这些种群构成了一种具有功能冗余的代谢分工模式（图2）。

值得注意的是，不同的组织模式实际上体现了不同功能冗余水平，且从不同角度看，各有利弊，体现在三个方面（图2）：首先，在“超级菌株”体系中，所有个体都能执行某一步骤，而在完全代谢分工系统中，一个步骤只能由部分个体执行。因此，完全代谢分工系统对于每个步骤的平均代谢能力可能低于“超级菌株”体系。在相同种群规模下，“超级菌株”体系具有更高的代谢能力。其次，“超级菌株”完整表达了代谢途径中的所有酶，因此具有更高的代谢负担，可能降低种群规模和整体生产力。相比之下，完全代谢分工系统中的个体只承担较低的代谢负担。第三，完全代谢分工系统中，不同种群之间需要进行代谢产物的交换，不可避免地导致代谢物损失，相比之下，“超级菌株”体系具有更高的代谢产物交换效率。

图2 研究假设：不同分工策略之间的权衡

研究假设

完全代谢分工与“超级菌株”各有利弊，而具有功能冗余的代谢分工模式是介于完全代谢分工与“超级菌株”之间的中间状态。因此，我们假设，通过对不同利弊的权衡，效率最高的群落组织形式是某一种具有功能冗余的代谢分工模式。

实验方案

为验证上述假设，本研究以萘降解途径为模式，将其拆解成四步，通过基因敲除，构建了“超级菌株”，以及只能完成途径中一步、两步、三步的功能缺陷菌株，共计15株（图3左）。这些菌株可以用四维零一向量进行命名，其中，“1”表示菌株具有执行某步的能力，“0”表示菌株不具备执行某步的能力。将除了“超级菌株”以外14株菌进行随机组合，即可构建不同模式的代谢分工群落。例如，四成员的群落总共有1001种可能性，而其中有861种可以在群落水平执行完整的代谢途径，包括860种含有功能冗余的分工和1种完全代谢分工模式。通过定量每种组合的功能水平，即可实验检验研究假设（图3右）。

图3 实验方案：缺陷菌株的构建流程以及群落组合方案

实验结果

以四成员群落组合为例，共培养实验发现，63个四成员群落表现出比“超级菌株”和完全代谢分工系统更强的功能（图4）。这一结果验证了研究假设，即一些具有功能冗余的代谢分工模式比两种极端情形具有更强的功能。

图4 63个四成员群落表现出比“超级菌株”和完全代谢分工系统更强的功能

进一步的拟合分析表明，与研究假设一致，不同群落组合的功能可以由个体代谢负担、代谢能力以及代谢物转运能力之间的平衡来解释。群落功能与代谢平均代谢负担成负相关，而与代谢能力和转运能力成正相关（图5）。

图5 个体代谢负担、代谢能力以及代谢物转运能力之间的权衡决定了不同群落组合的功能水平。

使用数学模型推广实验结论

上述研究结果是基于一个确定代谢途径（萘降解）构建不同分工体系所获得的结果。如果我们要对其他代谢途径进行解构，具有功能冗余的代谢分工模式还是功能更佳吗？是否有普适策略指导对任意代谢途径解构？显然，选取别的代谢途径重复上述实验需要极大的工作量，但可以借助数学模型来探究普适性。思路是：

（1）首先构建一个通用的数学模型（这里使用的是常微分方程组，其中不同组合可以由不同的向量组来描述）来描述不同的群落组合的生长和功能动态。假设模型中涉及到n个会影响结果的参数。

（2）利用实验测定的结果对n个参数赋值，进行仿真模拟，将仿真结果与实验数据进行比较，观察仿真结果是否能准确地复现实验结果。如果能，暗示模型可以精确捕捉这一类体系的特征；若不能，则需要对模型假设及方程进行进一步调整，直至其能与实验体系吻合。

（3）为了模拟别的途径条件的情况，可以用生成随机参数的方法。根据文献检索，确定每个参数在真实情况中可能的取值范围，以及可能的值分布（比如正态分布），据此可以随机抽取一个参数值。对n个参数都做这样的随机可以获得一个参数集。用这个随机参数集对模型赋值，则模拟结果可代表自然界中某个潜在代谢途径的解构结果。随机完成N次随机参数集生成和模拟，则用数学模型完成了N次大实验。

在本研究中，n=16，N=138500。模拟结果表明，在61%的情形中，某种具有功能冗余的代谢分工模式表现出最佳的功能（图6左）。实验中提到的“权衡”规则适用于93% 的情形（图6右）。这表明基于模型体系获得的结果具有较高的普适性。

图6 数学模型帮助探究实验结论的普适性

对84248某种具有功能冗余的代谢分工模式最佳的情形进一步分析发现，并不是所以的860组合都可能成为功能最佳的组合。实际上，只有65个组合可能成为功能最佳组合，并且成为最佳频率最高的前30个组合的累计频率已经达到95%（图7）。这给出了一种寻找最优组合的简单策略：对于任意途径，只需实验验证这30个组合的效率，就有95%的概率获得最佳组合。

图7 基于数学模型推导出了实验鉴定最优功能冗余组合的简单策略

实验结论在自然群落中的普适性

在自然微生物群落中，微生物更偏爱“超级菌株”、“完全代谢分工”和“具有功能冗余的代谢分工”中的哪种策略呢？本研究选择了8个典型复杂有机物降解途径，基于已发表的24,692个古菌和细菌基因组进行生物信息学分析，将这些微生物分类为不同的分工基因型。结果表明，在所有8个途径中，微生物很少演化为“超级菌株”；而在5个途径中，具有多功能但非全部功能的基因型占主导（图8）。这一结果暗示，与对人工构建模式系统的分析一致，自然群落中的微生物也倾向于采取“具有功能冗余的代谢分工”这一更高效的策略。

图8 自然群落中不同微生物的分工基因型频率分布

研究结论

本文的研究结果表明，与人类社会一样，一个高效微生物群落中的每个个体也需要“专精和博学的辩证统一”，即在专一于某一项代谢功能的同时，也需要兼顾其他功能，但不必成为全才。这一发现为构建高效的合成微生物组提供了全新的策略。

背后的故事

这个自虐又快乐的故事发生在2018年的夏秋。如上所述，我们的培养实验总共测试了1456种组合，每个组合设置了6个重复，并添加了10%的重复性实验作为质控。因为萘是不可溶性碳源，我们并不能使用96孔板之内的商品化高通量装备，这意味着近10000个摇瓶培养。为此，我们DIY了基于摇瓶的准高通量实验方案，并将大量实验分批，在每个批次中设计了完整的实验流程（图9左）。但即便如此，我们仍需要每天早9点和晚9点检测群落生物量变化，这个过程风雨无阻地持续了4个月；此外，这4个月中，每周周一是一整天接种实验，每周周四是一整天的萃取实验以测定萘降解率，其他时间则伴随着洗大量的瓶子、插大量的枪头和准备大量的培养基。在培养实验完成后，还花了1个月进行高通量PCR实验，用于测序鉴定每个合成群落的群落结构。这些实验，是我们五位同学通过“分工”完成的（图10），我们的“分工体系”也在不断的实验中磨合，演化得更加高效。

图9 我们的高通量讨论小组从成立（左），到收到审稿人积极评价（中）和文章接收时的喜悦（右）。（中间省略大量实验讨论和其他八卦。）

图10 那个夏天，我们通过“分工”完成大量的萃取实验（左）和生物量定量检测（右）

还有一个有趣的小插曲，在博士论文开题报告中，某位老师痛批了我们的实验方案，认为验证这个假设一定有更简化的方法，这么庞大的实验计划所带来的物资消耗是一种极大的“浪费”！在文章发表以后，曾经弱势的我们终于可以自信地回应，我们的实验是有意义的，正如文章匿名审稿人所说：”A major contribution of the work is the generation of a massive amount of experimental data underlying their analysis. I would encourage the authors to consider making their experimental data publicly available when the paper is accepted.”笔者认为，至少在微生物生态学中，高通量的实验验证是非常必要的，它不仅可以对假设进行最直接和严谨的验证，也可以生成珍贵的实验数据集，造福之后的研究者。当然，这并不是说 “大工作量”是实验设计追求的目标，相反，我们必须要在实验开始前，对实验流程进行最大限度的优化，减少工作量和出错概率（所以，开发和运用针对简单实验的高通量系统很有必要！）。但这个限度不能超过保证“实验严谨性”所规定的基本工作量。如果这个“基本工作量”依然很大，那就毫不犹豫地上吧！严谨科学研究绝不能追求快餐！就像我们的实验过程一样，5个月不间断的朝9晚10似乎很痛苦，但此刻越痛苦，工作最终被认可时就会有多喜悦。时间的流逝终会让这段自虐又快乐的故事成为我们人生中一段美好而深刻的记忆！

作者简介

第一作者:

王淼啸，博士，2021年毕业于北京大学工学院，现为瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zürich）博士后研究员，工作于Martin Ackermann教授和Olga Schubert研究员所领导的课题组。主要研究方向包括：微生物间相互作用机制及其生态学意义、微生物群落组装及演化机制、合成微生物组的理性设计与构建原理。在Cell Systems、Cell Reports、ISME Journal、mLife等期刊上发表学术论文16篇，其中第一或通讯作者署名8篇，并获得3项发明专利授权。获得“简浩然环境微生物基金”优秀论文奖。担任mLife杂志海外兼职编辑；iMeta青年编委；ISME Journal、eLife、ISME Communications、Bioresource Technology等杂志审稿人。

通讯作者：

聂勇，北京大学工学院副研究员。主要从事微生物石油烃代谢途径和调控分子机制、微生物群落构建理论与微生物相互作用机制研究。近年来利用定量生物学、合成生物学等方法研究微生物相互作用对复杂群落时空稳定性与功能的调控机制。曾获得“简浩然环境微生物基金”优秀论文奖、教育部自然科学二等奖、环保部“环境保护科学技术奖”三等奖。主持国家自然科学基金青年基金项目、面上项目3项；参与完成多项国家重点研发计划、“973”、“863”等项目。已在PNAS，ISME J，Cell Systems、Cell Reports，Energy and Environmental Science，mLife，Environmental Microbiology，Applied Environmental Microbiology，mSystems，Molecular Microbiology等期刊发表论文70余篇，获得授权发明专利8项。

吴晓磊，北京大学工学院教授，博士生导师。国家自然科学基金委员会杰出青年基金获得者。长期从事环境微生物群落结构分析与定向调控，环境微生物资源开发与污染治理与环境修复，污水治理与资源化，微生物采油等理论和技术的研究、开发和应用。已在Nature Communications, PNAS, The ISME Journal, Cell Systems，Cell Reports，Environmental Microbiology, Applied and Environmental Microbiology, Molecular Microbiology等杂志上发表论文近200篇。