从日常发酵用的酵母到人体内肠道菌群，微生物在人类的生活中无处不在，其也是合成生物学的重要工程对象。不过，在真实环境中往往不会只有单一的微生物，其是以多物种的微生物群落的形式所存在。

近些年来，关于多物种微生物群落的研究与发现增长迅速，其中以“肠道菌群”最为炙手可热。而在多物种微生物群落的研究中，除却基础的单一微生物本身以外，还涉及了不同微生物物种之间的相互作用以及微生物与环境之间的 “生态学”等问题。

图丨肠道菌群（来源：CC0 Public Domain）

合成生物学的出现，无疑是给予了研究人员一种全新的视角去研究多物种微生物群落：通过不同物种的微生物 “自下而上” 构建起来微生物群落生态，最终用以研究种群之间的相互作用和环境变量对于群落的影响。

“系统生物学在分子层次和生态层次是同样的数学语言（微分方程），用于描述基因调控网络（DNA，蛋白质等分子的互作）和生态网络（物种互作，比如微生物之间）。合成生物学的内涵并不仅限于基因层次上的改造，也包括生态层次上的。” 中科院深圳先进技术研究院合成微生物组学研究中心主任戴磊研究员对生辉 SynBio 说道。

来自波士顿大学生物医学工程系教授丹尼尔?塞格里（Daniel Segrè）便从细胞分类层面对微生物群落生态进行了模块组装，其通过已有的天然微生物组合成群落，用以研究 “如何调整微生物所在的环境条件来指导微生物的行为”。

按照 Segrè 自己说法，这种研究思路可以更加准确地描述为“合成生态学”。“传统的合成生物学方法是直接操纵微生物的基因组。”Segrè 说：“但是我们正在尝试使用环境分子来操纵微生物的生态系统。”

就在近日，该教授所在的团队便在Nature Communications上发表了研究成果，通过对微生物的组合阐述了环境因素对于微生物群落的影响。

图丨天然组合的微生物群落对环境复杂性的反应

“我们知道微生物与环境的相互作用非常重要，” 该论文的第一作者艾伦?帕切科（Alan Pacheco）说道：“其中一些相互作用有益于几个微生物物种，而一些只有益于群落中的一个物种，还一些可能对某些物种有害。但是，我们仍然不知道为什么这些相互作用会以这样的方式发生。”

在这项研究之中，研究人员选择了 13 种微生物进行配比组合成群落，包括大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、乳酸乳球菌和铜绿假单胞菌等，然后将这一群落分别放到了由 32 种不同碳源的配比组合所形成的环境中进行培养，如葡萄糖、丙酮酸、L - 苏氨酸等等，共有 282 种。

最终研究人员发现：群落获得食物（碳源）的类型增加（总量不变的情况下），微生物群的生长和多样性并不会显著增加。相反，不同种类微生物之间对食物的竞争阻碍了微生物群落内的多样化。

“我们发现总量取决于碳源的总数，而不取决于碳源的种类。”Segrè 说。“这就像人们去野餐一样。如果有足够多的人去野餐，不管各种食物的传播方式如何，最终所有东西都会被吃光。在我们的许多实验中，微生物群落最大程度地消耗了碳源的每一点。”

而关于控制微生物组多样性的机制具体是什么，Segrè 说：“找出所有这些相互作用的原因将需要一些时间。”

该团队计划对其他环境因素进行更多研究，调查营养物质的获取和多样性将如何随着时间的推移改变微生物群落，以及微生物群落生活的介质如何影响它们的消费和分子分泌。此外，他们还在探索不同微生物物种之间的代谢过程如何相互作用，以及一些生物体顺序或同时消耗多种资源的能力如何影响整个微生物群。

对此，戴磊研究员补充道：“在微生物群落的生态改造方面，我们目前急需好的技术和数学模型来指导改造和合成。”