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上海交通大學唐鴻志教授與北京大學聶勇副研究員等的合作綜述「Guided by the principles of microbiome engineering: Accomplishments and perspectives for environmental use」於2022年11月3日在mLife正式上線。該綜述由上海交通大學、北京大學和蘇黎世聯邦理工學院的青年學者共同完成，並得到了北京大學吳曉磊教授的大力支持。該文回顧了近年來微生物組工程理論方面的前沿研究，以及在環境領域中的經典應用，並對未來的研究思路進行了展望。


文章導讀

人工構建微生物組在人類健康、環境修復、工業生產等重要領域具有巨大的應用潛力，但依然存在不少瓶頸問題。為解決這些問題，近年來一些研究者提出應用生態學理論和定量技術對群落的組裝和功能進行精確預測，並基於此調控或從頭設計微生物組，即「微生物組工程」。回顧並整合最前沿的理論技術與應用成果，將有助於解決這些瓶頸問題，推動微生物組工程研究的發展。

核心內容速覽

微生物組工程的理論研究
文章首先回顧了近期微生物組工程領域的重要理論成果，即通過「自下而上」和「自上而下」的設計策略，以及「design-build-test-learn」(DBTL)循環，實現工程微生物組的理性設計（圖1）。隨後，文章基於最新的研究成果，詳細歸納了如何基於天然菌株或工程菌株「自下而上」地構建工程微生物組，以及通過直接富集（enrichment）、人工篩選（artificial selection）和定向進化（directed evolution）3種策略，「自上而下」地構建工程微生物組。文章還總結了多種數學模型在微生物組工程中的應用案例，並分析了各類模型的優劣勢和使用範圍。

圖1 結合DBTL循環的兩種微生物組工程設計策略（「自下而上」和「自上而下」）


微生物組工程在環境領域的應用與展望
結合上述理論研究，文章還總結了「自下而上」和「自上而下」兩種策略在環境領域中的應用成果。重點討論了「自下而上」策略中代謝分工理論在構建高效降解微生物組方面的優勢、瓶頸和發展趨勢；以及「自上而下」策略中人工篩選和定向進化兩種方法在篩選高效降解菌群方面的巨大潛力。最後，基於目前環境領域應用中的瓶頸問題，總結了一套將「自上而下」與「自下而上」兩種策略串聯的研究思路（圖2）。針對微生物組工程在環境領域的應用，文章提出，污染物降解工程微生物組的設計須避免對人體健康有害有毒中間體的積累，並基於此提出了多條新的設計策略。

圖2 「自上而下」+「自下而上」的串聯研究思路示意圖


總結展望

綜上所述，通過微生物組工程研究，可以理性設計高效、穩定、安全、可預測的微生物組。而在將來，我們應該進一步研究如何調控環境因素，設計微生物相互作用和編輯菌株特性，理性設計工程微生物組，使其發揮更理想的功能。我們還應在更複雜的原位環境條件下檢驗微生物組工程理論的可行性，從而推動更多定量理論與技術的發展，並指導未來微生物組工程的研究。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/mlf2.12043

引用本論文：Hu H, Wang M, Huang Y, Xu Z,Xu P, Nie Y, et al. Guided by the principles of microbiome engineering: Accomplishments and perspectives for environmental use.mLife. 2022.

https://doi.org/10.1002/mlf2.12043

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