人工多菌體系的設(shè)計與構(gòu)建屬于合成生物學(xué)前沿：

一、人工多菌體系的優(yōu)勢

減輕代謝壓力：在重組菌株中，異源途徑的過表達會增加底盤細胞的代謝壓力，而人工多菌體系能有效地分配底盤細胞的代謝負擔(dān)。例如，合成生物學(xué)的飛速發(fā)展拓展了單菌體系的功能，但異源途徑過表達會導(dǎo)致細胞中能量分配失衡，對底盤細胞的正常生長和目標(biāo)產(chǎn)物的生物合成產(chǎn)生不利影響。

提供多樣表達環(huán)境：人工多菌體系為目標(biāo)產(chǎn)物的生物合成提供多樣且適配的表達環(huán)境。不同的菌株可以在多菌體系中發(fā)揮各自的優(yōu)勢，共同完成復(fù)雜的生物合成任務(wù)。

靈活調(diào)控途徑：使得途徑的全局調(diào)控更加靈活。通過對多菌體系中各個菌株的調(diào)控，可以實現(xiàn)對生物合成途徑的精細調(diào)控。

二、人工多菌體系的設(shè)計原則

1.途徑分工的理性設(shè)計

明確各個菌株在生物合成中的具體任務(wù)，實現(xiàn)功能的合理分配。例如在某些生物合成過程中，不同的菌株可以分別負責(zé)不同的代謝步驟，提高合成效率。

2.菌群互作關(guān)系的理性設(shè)計

構(gòu)建良好的菌群互作關(guān)系，促進生物合成。不同菌株之間可以通過物質(zhì)、能量和信息的交換實現(xiàn)相互作用，如偏利共生、互利共生等關(guān)系。

3.功能菌群時空有序分布

合理安排各個菌株在空間和時間上的分布，提高生物合成的效率和穩(wěn)定性。例如在某些多菌體系中，不同的菌株可以在不同的時間點發(fā)揮作用，或者在空間上形成特定的分布結(jié)構(gòu)。

4. 基于模型算法指導(dǎo)下的多菌體系理性構(gòu)建

利用模型算法對多菌體系進行設(shè)計和優(yōu)化。通過建立數(shù)學(xué)模型，可以預(yù)測不同菌株在多菌體系中的行為和相互作用，從而指導(dǎo)多菌體系的構(gòu)建。

三、人工多菌體系的構(gòu)建方法

1.菌株選擇與改造

根據(jù)生物合成的目標(biāo)選擇合適的菌株，并對其進行理性設(shè)計與改造。例如在維生素 C 一步混菌發(fā)酵體系的構(gòu)建中，通過對菌株的理性設(shè)計與改造，重構(gòu)混菌體系中菌群的相互作用關(guān)系，實現(xiàn)對人工混菌體系的適配性調(diào)控。

2.優(yōu)化發(fā)酵條件

綜合考慮實驗室條件和生產(chǎn)成本等多種因素，優(yōu)化多菌體系的發(fā)酵條件。如在維生素 C 工業(yè)生產(chǎn)體系中，成功設(shè)計構(gòu)建 Gluconobacter oxydans - Ketogulonicigenium vulgare 兩菌一步發(fā)酵體系后，優(yōu)化發(fā)酵條件以提高生產(chǎn)效率。

3.構(gòu)建死亡基因模塊組合

在某些工業(yè)生產(chǎn)中，可以構(gòu)建基于群體感應(yīng)系統(tǒng)的死亡基因模塊組合，實現(xiàn)工業(yè)一步菌的程序性死亡，優(yōu)化混菌體系的性能。例如在維生素 C 一步混菌發(fā)酵體系中，構(gòu)建并優(yōu)化一系列基于群體感應(yīng)系統(tǒng)的死亡基因模塊組合，提高了 2 - KGA 的大摩爾轉(zhuǎn)化效率。

四、人工多菌體系的應(yīng)用實例

1.生物合成領(lǐng)域

以人工多菌體系在近幾年生物合成中的最新進展為實例，突出其在生物合成中的優(yōu)勢。例如在合成生物學(xué)中，人工多菌體系可以用于合成各種生物產(chǎn)品，如維生素 C、燃料丁醇和琥珀酸等。

2.  木質(zhì)纖維素生物質(zhì)降解

設(shè)計和構(gòu)建不同的微生物菌群，用于固態(tài)處理小麥麩皮和小麥秸稈，提高木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的降解效率。微生物菌群，如 BFY4 和 BFY5，含有不同的細菌、真菌和酵母，由于更有利的水解酶活性和提高的還原糖產(chǎn)量，導(dǎo)致糖積累比例高，降解率超過 33%。

3.多環(huán)芳烴降解

通過簡化群落結(jié)構(gòu)、明確分工和精簡代謝通量構(gòu)建人工混合微生物系統(tǒng)（MMS），用于多環(huán)芳烴的降解。人工 MMS 的構(gòu)建顯示出巨大的效率，并且該綜述描述了人工 MMS 用于多環(huán)芳烴降解的構(gòu)建原則、影響因素和增強策略。

4.生產(chǎn)揮發(fā)性平臺烴

開發(fā)由產(chǎn)生揮發(fā)性平臺化學(xué)品（乙烯和異戊二烯）的大腸桿菌菌株和兩種光養(yǎng)合成并輸出蔗糖以喂養(yǎng)這些異養(yǎng)生物的藍細菌菌株組成的人工菌群。轉(zhuǎn)基因藍細菌產(chǎn)生的二糖用作兩個群落成分之間的碳和電子穿梭，成功合成了揮發(fā)性烴。

5.環(huán)境領(lǐng)域

人工微生物多細胞體系在環(huán)境領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，包括廢水處理、土壤修復(fù)、有機廢物能源轉(zhuǎn)化等。通過基于微生物菌群相互作用與代謝網(wǎng)絡(luò)設(shè)計構(gòu)建復(fù)雜的人工多菌體系，利用培養(yǎng)條件優(yōu)化、勞動分工、群感效應(yīng)、3D 菌群結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算仿真技術(shù)等策略調(diào)控其組成與功能，提高其穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性。

五、人工多菌體系的發(fā)展展望

人工多菌體系雖然在合成生物學(xué)和其他領(lǐng)域顯示出巨大的潛力，但仍存在一些問題需要解決。例如，如何進一步提高多菌體系的穩(wěn)定性和效率，如何更好地調(diào)控菌群之間的相互作用等。未來的研究主要在于深入研究菌群互作機制、開發(fā)新的構(gòu)建方法和拓展應(yīng)用領(lǐng)域。
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