自然界的循環(huán)利用：厭氧微生物群落推動(dòng)著自然生物質(zhì)的降解

Nature’s recyclers: anaerobic microbial communities drive crude biomass deconstruction

Current Opinion in Biotechnology

Impact Factor 8.803 | CiteScore 8.45

https://doi.org/10.1016/j.copbio.2019.08.015

發(fā)表日期：2020-04-01

第一作者：Stephen P Lillington¹

通訊作者：Michelle A O’Malley¹

合作作者：Patrick A Leggieri, Kellie A Heom

主要單位：

¹ 美國(guó)，加州大學(xué)，圣塔芭芭拉分校，化學(xué)工程系（Department of Chemical Engineering, University of California, Santa
Barbara, CA 93106, United States）

摘要

地球上厭氧生態(tài)系統(tǒng)中的微生物群落涉及到碳的降解與碳循環(huán)，大量的菌株從厭氧的微生物群落中被篩選出來(lái)，由于其含有豐富的碳水化合物活性酶（CAZymes）因此能將木質(zhì)纖維素分解成易降解糖。然而，天然厭氧菌群落擁有豐富的微生物多樣性，這些多樣性還有待生物技術(shù)應(yīng)用來(lái)將粗生物質(zhì)水解成糖和增值產(chǎn)品。這篇綜述重點(diǎn)介紹了厭氧微生物基因組序列的“組學(xué)”技術(shù)的最新進(jìn)展，解釋厭氧微生物群落的微生物組成，并對(duì)厭氧微生物群落所包含的碳水化合物活性酶的多樣性進(jìn)行表征。我們以食草動(dòng)物瘤胃為重點(diǎn)，進(jìn)一步討論了發(fā)現(xiàn)新的碳水化合物活性酶（包括那些在多酶真菌纖維素中發(fā)現(xiàn)的）的方法。本文綜述了近年來(lái)用來(lái)描述有關(guān)厭氧菌間相互交織的新陳代謝和空間的相互作用的新興的技術(shù)。這對(duì)于促進(jìn)對(duì)厭氧菌群落的預(yù)測(cè)性認(rèn)知從而指導(dǎo)微生物工程至關(guān)重要。

前言 Introduction

將有機(jī)廢物轉(zhuǎn)化為可持續(xù)利用的增值產(chǎn)品是全球的迫切需要。自然條件下，有機(jī)碳的降解與循環(huán)很大程度受到厭氧微生物的調(diào)節(jié)，它們共同作用分工明確地完成困難的生物催化水解步驟。工業(yè)生產(chǎn)從大量的厭氧菌株受益良多，很多厭氧菌株被篩選出來(lái)，甚至代謝工程被應(yīng)用于生物技術(shù)。例如，在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，源自于瘤胃的微生物群落在從植物中分解糖的方面是高效的，并提供了大量工業(yè)來(lái)源的酶用于從植物廢物中分解碳水化合物。甚至是缺氧的海區(qū)和沉積物也已經(jīng)提供了關(guān)鍵菌株和酶機(jī)制來(lái)幫助碳和氮的循環(huán)利用。通過(guò)利用這些微生物的厭氧消化作用，可以進(jìn)一步加速?gòu)U棄物降解成沼氣、中鏈脂肪酸、甚至可以通過(guò)與模式微生物的合作從而加速代謝工程產(chǎn)物的生成。

雖然從厭氧生態(tài)系統(tǒng)中已經(jīng)鑒定出很多微生物菌株，但是它們都不能以維持生物能源和可持續(xù)的化學(xué)市場(chǎng)所需的高轉(zhuǎn)化率來(lái)降解木質(zhì)纖維素。木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的生物加工受到酶和轉(zhuǎn)化的限制，這需要大量的預(yù)處理和分離步驟來(lái)去除木質(zhì)素并將碳水化合物聚合物分別水解成可降解的糖。通常，許多水解副產(chǎn)品對(duì)微生物個(gè)體是有毒的。因此，降解木質(zhì)纖維素的途徑通過(guò)設(shè)計(jì)化學(xué)方法對(duì)生物量進(jìn)行定量，這將導(dǎo)致一系列的異構(gòu)產(chǎn)品。因此，采用動(dòng)態(tài)厭氧群落中常見(jiàn)的分解策略是很有吸引力的，在動(dòng)態(tài)厭氧群落中，微生物已經(jīng)進(jìn)化到產(chǎn)生互補(bǔ)的幾組木質(zhì)纖維素降解酶，這些酶在微生物之間分配分解產(chǎn)物和代謝物，并減輕對(duì)群落的整體毒性。

微生物富集，測(cè)序和生物信息學(xué)方法的出現(xiàn)為破譯厭氧微生物群落中的功能并將其用于生物能源和可持續(xù)的化學(xué)產(chǎn)品提供了新的機(jī)會(huì)。關(guān)鍵在于盡量減少——或完全消除——與預(yù)處理相關(guān)的工作，并降低所需的酶負(fù)荷。這篇綜述介紹了厭氧微生物群落的組成以及它們通過(guò)新興的“組學(xué)”技術(shù)而獲得的酶學(xué)策略。我們進(jìn)一步討論了目前對(duì)厭氧菌動(dòng)態(tài)代謝功能的理解及它們相互交織的代謝，并展望了利用厭氧菌群進(jìn)行木質(zhì)纖維素生物轉(zhuǎn)化的新策略。

“組學(xué)”工具揭示了厭氧微生物群落的多樣性

‘Omics’-tools reveal the microbial diversity
within anaerobic communities

絕大多數(shù)厭氧微生物的研究都描述了細(xì)菌的種類和功能，但重要的是要認(rèn)識(shí)到，復(fù)雜的厭氧微生物群落通常以真菌、古生菌、原生生物以及大量的病毒和噬菌體為特征。雖然與細(xì)菌相比，這些類群的豐度較低，但它們對(duì)能改變碳流動(dòng)以及關(guān)鍵發(fā)酵產(chǎn)物生成的微生物群落起著重要的功能。在瘤胃系統(tǒng)中，厭氧細(xì)菌(如梭菌、瘤胃球菌科)是著名的纖維素降解菌，并產(chǎn)生廣泛的糖基水解酶(GHs)和多種纖維素團(tuán)，將纖維素解聚成纖維二糖，并運(yùn)輸?shù)郊?xì)菌細(xì)胞。近年來(lái)，厭氧真菌(新麗鞭毛菌門)得到了廣泛的分離和測(cè)序，被發(fā)現(xiàn)含有豐富的碳水化合物活性酶(CAZymes)和真菌纖維素體，它們通過(guò)真菌的根狀菌絲來(lái)分解纖維狀生物量。雖然古菌產(chǎn)甲烷菌不直接參與生物質(zhì)的降解作用，但它與厭氧細(xì)菌和真菌都有密切的聯(lián)系，主要將釋放出的H~2~、醋酸鹽、 甲酸鹽同化成甲烷，為生物質(zhì)的解聚提供了良好的條件。

此外，在厭氧微生物群落中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了原生生物和一系列的病毒和噬菌體，這些神秘的、幾乎未被探索的功能可能調(diào)節(jié)微生物種群，物種進(jìn)化，甚至甲烷的產(chǎn)生。

近年來(lái)在高通量測(cè)序、生物信息學(xué)工具和綜合多組學(xué)技術(shù)方面的進(jìn)展，闡明了厭氧微生物群落的分子細(xì)節(jié)，這擴(kuò)展了我們對(duì)厭氧菌株及其在群落中的作用的認(rèn)識(shí)(圖1)。在政府機(jī)構(gòu)如能源部(DOE)的支持下，聯(lián)合基因組研究所(JGI) IMG數(shù)據(jù)庫(kù)目前正在填充細(xì)菌、古生菌和真核生物的7萬(wàn)個(gè)基因組。聯(lián)合基因組研究所擁有1300個(gè)真菌基因組，其中包括6個(gè)來(lái)自厭氧真菌的基因組草圖和轉(zhuǎn)錄組。這些基因組已經(jīng)用生物信息學(xué)工具如BLAST和隱馬爾科夫模型通過(guò)使用序列同源性來(lái)推斷功能從而進(jìn)行了預(yù)測(cè)的功能注釋。同時(shí)增加序列數(shù)據(jù)庫(kù)的容量和多樣性(如GenBank、PFam、UniProt和InterPro)只會(huì)繼續(xù)提高對(duì)基因組注釋的可信度，并為厭氧微生物基因組提供新的見(jiàn)解。令人驚訝的是，在厭氧真菌基因組中高度保守基因的啟動(dòng)子附近發(fā)現(xiàn)了大量的6-甲基腺嘌呤，表明這與基因表達(dá)有關(guān)。對(duì)厭氧真核生物中表觀遺傳學(xué)和DNA甲基化作用的持續(xù)研究是非常必要的，他可以幫助破譯描述不清楚的基因組區(qū)域和推測(cè)的蛋白質(zhì)功能。

圖1. 多重組學(xué)分析闡明了微生物群落是如何相互協(xié)作以發(fā)揮非凡功能的

宏基因組數(shù)據(jù)集在一個(gè)群落中建立基因組和基因集，而宏轉(zhuǎn)錄組實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了活躍表達(dá)的基因。蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)為基因和通路活動(dòng)提供了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并可與通量組學(xué)分析相結(jié)合，將這些“組學(xué)”數(shù)據(jù)集與動(dòng)力學(xué)模型聯(lián)系起來(lái)?？傊@個(gè)“組學(xué)”流程加速了基因發(fā)現(xiàn)和調(diào)控模式，并為破譯微生物群落水平的相互作用提供了線索。

基因組數(shù)據(jù)庫(kù)的增長(zhǎng)也是大量宏基因組組裝的結(jié)果，其動(dòng)機(jī)是需要對(duì)厭氧微生物群落（如瘤胃、垃圾填埋場(chǎng)和消化道微生物群落）中存在的生物和酶進(jìn)行分類。這些研究對(duì)從環(huán)境樣本中提取的微生物DNA進(jìn)行排序，并計(jì)算將宏基因組序列讀長(zhǎng)組裝成支架(scaffolds)，然后篩選感興趣的基因，如CAZymes（碳水化合物活性酶）。有了足夠的測(cè)序深度，測(cè)序讀長(zhǎng)可以被拼接和分箱以獲得未培養(yǎng)生物的基因組草圖。早期的宏基因組組裝來(lái)自于奶牛瘤胃組裝的未培養(yǎng)微生物的１５個(gè)宏基因組組裝的基因組，其完整性大于６０％。隨著生物信息處理和測(cè)序成本的提高，最近的研究已經(jīng)成功地將數(shù)千個(gè)以前未被發(fā)現(xiàn)的與與公共數(shù)據(jù)庫(kù)中的序列不匹配的（碳水化合物活性酶）CAZymes組裝了近1000個(gè)MAGs（宏基因組裝配的基因組）。詳見(jiàn)《NBT：牛瘤胃微生物組的參考基因組集》。

許多MAGs由于高度碎片化、嵌合或含有污染的測(cè)序讀長(zhǎng)而導(dǎo)致質(zhì)量相對(duì)較差，因此這種特性通常僅限于DNA指紋。盡管如此，一些MAGs已經(jīng)通過(guò)培養(yǎng)分離菌得到了改進(jìn)并且Hungate1000項(xiàng)目組裝了400個(gè)物種基因組草圖，幾乎所有可用的分離都在這個(gè)綜述中。盡管如此，只有不到１％的細(xì)菌是可培養(yǎng)的，這種采樣偏差的一個(gè)可能的解決方案是利用單細(xì)胞測(cè)序。與宏基因組學(xué)一樣，單細(xì)胞測(cè)序繞過(guò)了培養(yǎng)，但可解決菌株內(nèi)的基因組異質(zhì)性，并可針對(duì)數(shù)量較少的物種。然而，單細(xì)胞擴(kuò)增基因組（SAGs）存在擴(kuò)增偏倚及完整性低的問(wèn)題，與參考MAGs比對(duì)是組裝的最佳方法。宏基因組之外的方法參考《mSystems：鳥(niǎo)槍法宏基因組測(cè)序之外我們還能做什么》。

厭氧群落的宏組學(xué)已發(fā)現(xiàn)大量碳水化合物活性酶CAZymes

Meta-omics of anaerobic communities has identified a wealth of CAZymes

大量的宏組學(xué)研究表明，厭氧生物降解群落中存在大量CAZymes(Table 1)，CAZymes被定義為合成、降解或結(jié)合糖類的酶，可分為六個(gè)不同的種類－糖苷水解酶(GH)，糖基轉(zhuǎn)移酶(GT)，多糖裂解酶(PL)，碳水化合物酯酶（CE），碳水化合物結(jié)合模塊(CBM)以及輔助活性(AA)其包括木質(zhì)素水解活性酶和水解多糖單氧化酶。這些類包含大量的科和亞科，反映了這些酶的活性和特異性的巨大多樣性。CAZymes權(quán)威的數(shù)據(jù)庫(kù)CAZy的從2013年的34萬(wàn)個(gè)蛋白質(zhì)條目膨脹到現(xiàn)今超過(guò)140萬(wàn)，大大超過(guò)了實(shí)驗(yàn)表征CAZymes的數(shù)量上的增長(zhǎng)速度。

宏基因組學(xué)與宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)已經(jīng)促進(jìn)了這種序列信息的巨大增長(zhǎng)，但是應(yīng)該注意的是這些分析僅反映了基因組的潛能和在測(cè)序樣本中表達(dá)的基因，并不一定反映活性蛋白的產(chǎn)生。迄今為止，對(duì)生物降解微生物群落的宏蛋白質(zhì)組學(xué)分析僅報(bào)導(dǎo)了數(shù)十份CAZymes的陽(yáng)性序列(表 1) 反映了在使用質(zhì)譜蛋白質(zhì)組學(xué)對(duì)復(fù)雜樣品中的蛋白質(zhì)進(jìn)行可靠鑒定的挑戰(zhàn)。此外，使用組學(xué)方法對(duì)基因、轉(zhuǎn)錄或蛋白質(zhì)功能進(jìn)行基于同源性的注釋仍然是假定的，并且需要大量的實(shí)驗(yàn)表征使功能與序列的對(duì)照更可信。這種方法的成功最近在ＣＡＺｙ數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)５００多個(gè)CAZymes的生化特性描述中進(jìn)行了驗(yàn)證，這導(dǎo)致了新的CAZyme科的發(fā)現(xiàn)并將功能分配給25個(gè)以前被分類的亞科。

表1. 代謝組學(xué)數(shù)據(jù)調(diào)查顯示不同厭氧微生物群落中存在的碳水化合物活性酶（CAZymes）的數(shù)量和類別

CAZymes在厭氧生物降解菌群聯(lián)合體的具體成員中分布極不均勻。例如，在駝鹿瘤胃中分解木質(zhì)纖維素的菌群聯(lián)合體，形成一個(gè)由聚合物降解物和糖發(fā)酵劑組成的專門的代謝網(wǎng)絡(luò)，它們協(xié)同有效地分解植物碳。在這些群落中，大量的CAZymes生產(chǎn)者采用不同的策略來(lái)增強(qiáng)他們降解生物質(zhì)的能力。大多數(shù)的有氧纖維素分解真菌和細(xì)菌分泌自由酶，而許多的厭氧細(xì)菌真菌產(chǎn)生大量的稱為纖維素體的復(fù)合物。據(jù)推測(cè)，厭氧發(fā)酵的低能特性推動(dòng)了纖維素體的進(jìn)化從而作為一種提高纖維素水解效率和產(chǎn)品攝取的策略，但其進(jìn)化的本質(zhì)以及他們?cè)谟醒醐h(huán)境下的異常仍然是不清楚的。到目前為止，只有少數(shù)的生物體能夠產(chǎn)生具有多種催化結(jié)構(gòu)域的CAZymes，但極有可能在厭氧木質(zhì)纖維素分解菌群中發(fā)現(xiàn)許多其它有趣的纖維素酶。

真菌的纖維素體表現(xiàn)出令人印象深刻的纖維素水解活性

Fungal cellulosomes exhibit impressive cellulolytic activity

纖維素體是厭氧微生物體內(nèi)的多蛋白的復(fù)合物，他可以協(xié)同定位催化酶以增強(qiáng)纖維素的分解活性。在厭氧細(xì)菌和真菌系統(tǒng)中，酶的N和/或C末端的錨定(dockerin)結(jié)構(gòu)域通過(guò)與中心支架蛋白上的內(nèi)聚蛋白重復(fù)結(jié)構(gòu)域的相互作用調(diào)節(jié)復(fù)合物的形成。盡管細(xì)菌纖維素早已為人們所熟知，但是關(guān)于真菌纖維素體裝配背后的組成部分和其機(jī)制的細(xì)節(jié)直到最近才被發(fā)現(xiàn)。細(xì)菌和真菌的纖維素系統(tǒng)成分不具有序列相似性，它們的結(jié)合特異性和親和性存在明顯差異。盡管細(xì)菌和真菌的纖維素組分序列是不同的，但厭氧真菌中有幾種含有dockerin的蛋白質(zhì)，它們的催化結(jié)構(gòu)域與細(xì)菌酶密切相關(guān)，表明瘤胃真菌、細(xì)菌間普遍存在水平基因轉(zhuǎn)移事件。

在兩種纖維素系統(tǒng)中，在含有dockerin域的蛋白中，CAZymes占絕大多數(shù)，但也發(fā)現(xiàn)了許多其他類型的蛋白質(zhì)，包括孢子衣蛋白、酶蛋白和絲氨酸蛋白酶抑制劑。事實(shí)證明，纖維素體比游離酶更能增強(qiáng)纖維素的分解活性，且前者是后者的１２倍，并且細(xì)菌的dockerin黏連蛋白系統(tǒng)已經(jīng)被用作合成生物學(xué)工具，用于增強(qiáng)許多不同的反應(yīng)途徑。由嵌合物CAZyme -dockerin和支架蛋白組成的久負(fù)盛名的纖維素體在協(xié)同細(xì)菌酶的纖維素水解活性方面已經(jīng)取得了很大的成功，而結(jié)合來(lái)自不同生物的CAZymes在一起來(lái)優(yōu)化酶制劑的熱穩(wěn)定性和活性廣度的前景，為解決生物加工過(guò)程中的生物量降解瓶頸提供了一條有吸引力的途徑。

轉(zhuǎn)錄組學(xué)揭示了微生物的協(xié)同作用和酶的調(diào)節(jié)

Microbial cooperation and enzyme regulation are revealed by transcriptomics

聯(lián)合培養(yǎng)厭氧木質(zhì)纖維素微生物是解決生物質(zhì)降解瓶頸的另一種有吸引力的途徑，因?yàn)樗纸獠⒖朔S多個(gè)微生物之間進(jìn)行分解和轉(zhuǎn)化的困難步驟。簡(jiǎn)單的共培養(yǎng)方法涉及兩種生物，如真菌－甲烷菌共培養(yǎng)，作為可處理的模型系統(tǒng)，以補(bǔ)充宏組學(xué)研究從而闡明微生物間的合作(圖1)。最近的一項(xiàng)研究表明，當(dāng)厭氧真菌與甲烷菌共培養(yǎng)時(shí)，CAZyme活性與基因表達(dá)顯示出代謝的顯著增加?；诨パa(bǔ)代謝，交換發(fā)酵產(chǎn)物，或者由于生物質(zhì)水解，培養(yǎng)基中的發(fā)酵糖過(guò)量，這些策略可以建立在聯(lián)合培養(yǎng)中束縛外源性微生物上。

轉(zhuǎn)錄組學(xué)方法也提供了一種基于其與特征轉(zhuǎn)錄本之間的協(xié)同調(diào)節(jié)用來(lái)識(shí)別厭氧生物中假定的、不帶注釋的酶的方法。例如，來(lái)自厭氧真菌Piromyces finnis的RNA-Seq數(shù)據(jù)產(chǎn)生了大量未鑒定的酶，這些酶在糖代謝物的抑制下其與CAZymes共同被抑制。該方法的擴(kuò)展驗(yàn)證了類似的分解代謝物在真菌N. californiae 和A. robustus中被抑制的行為，揭示了其中一些共同調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)錄本是真菌纖維素體的組成部分。另一種方法是，表征未知的酶在具有特定的裝飾或相似連鎖模式的特定多糖存在時(shí)上調(diào)，揭示了協(xié)同調(diào)控與給定底物相匹配的CAZymes酶活性。　　

除了基因組分析外，未來(lái)的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組方法的發(fā)展有望在個(gè)別的厭氧菌以及在共同培養(yǎng)與聯(lián)合系統(tǒng)中捕獲基因表達(dá)的異質(zhì)性。原核單細(xì)胞RNA-Seq由于RNA豐度低及缺乏聚腺苷酸ｍＲＮＡ，在哺乳動(dòng)物單細(xì)胞技術(shù)方面的進(jìn)展相對(duì)滯后。亞微克或納克量的RNA的擴(kuò)增已通過(guò)PCR(Smart-seq2和SUPeR-seq ）或鏈置換等方法完成，但是這些方法的靈敏度較低。低的檢測(cè)效率（通常＜１０％）難以對(duì)原核生物進(jìn)行測(cè)序；大腸桿菌的平均轉(zhuǎn)錄拷貝數(shù)是小于１０／細(xì)胞。此外這些方法沒(méi)有一個(gè)廣泛地適用于原核生物，它們通常依賴于寡聚胸苷酸引物，跳過(guò)ｒRNA的消耗（接受基因芯片而不是二代測(cè)序）或者利用菌株特異性ｒＲＮＡ　的消耗。原核系統(tǒng)中單細(xì)胞RNA-seq技術(shù)的成熟將開(kāi)啟我們對(duì)微生物群落中微生物基因的表達(dá)和代謝功能更深入的理解。

基因組級(jí)代謝模型存在于一組有限的厭氧菌中　　

Genome-scale metabolic models exist for a limited set of anaerobes

微生物基因組的系統(tǒng)的分析通過(guò)基因組規(guī)模模型（GSMs）的發(fā)展有利于我們更好的理解其代謝機(jī)制。GSM是細(xì)胞內(nèi)代謝通路的系統(tǒng)級(jí)代表，它們的組成底物、產(chǎn)物、酶以及基因編碼了這些酶。通過(guò)通量平衡分析（FBA），生物約束可以被耦合到一個(gè)源于GSM的數(shù)學(xué)模型中從而產(chǎn)生對(duì)生物體穩(wěn)態(tài)代謝通量分布的預(yù)測(cè)。這種方法經(jīng)常指導(dǎo)代謝工程的工作，并可以擴(kuò)展到共同培養(yǎng)的幾個(gè)物種。此外，F(xiàn)BA框架還可以用于預(yù)測(cè)生物信息學(xué)（in silico）中微生物體系的穩(wěn)定性，并可推廣應(yīng)用于消化系統(tǒng)中基質(zhì)活性的預(yù)測(cè)，如進(jìn)料不同的厭氧消化系統(tǒng)，或設(shè)計(jì)用于牲畜的特定飲食的益生菌。

目前可用的GSMs捕獲了厭氧細(xì)菌和產(chǎn)甲烷菌的廣泛代謝。厭氧細(xì)菌在瘤胃微生物群中起著多種作用，GSMs已經(jīng)被開(kāi)發(fā)用于幾種梭狀芽孢桿菌，它們專門從事纖維素降解、生成醋酸和酒精。產(chǎn)甲烷菌的代謝也具有很好的特征，并被廣泛的模擬。最近的兩篇綜述講解了近年來(lái)產(chǎn)甲烷菌基因組規(guī)模模型的現(xiàn)狀、遺傳關(guān)系和基因工程的研究進(jìn)展。

參見(jiàn)Feist等人實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的GSMs的活躍更新的列表，Senger等人對(duì)幾種GSMs中的厭氧細(xì)菌、產(chǎn)甲烷菌和酵母及其生物技術(shù)應(yīng)用方面進(jìn)行了綜述。

到目前為止，還沒(méi)有厭氧真菌的GSMs的存在，且它們的發(fā)展受到了一些挑戰(zhàn)的阻礙。厭氧真菌基因組最近才被鑒定出來(lái)且高質(zhì)量的基因組很少。這些物種中生長(zhǎng)在單一糖類且通過(guò)底物限制和代謝通量分析實(shí)驗(yàn)促進(jìn)GSM管理的自定義培養(yǎng)基中的物種數(shù)就更少了。基因敲除對(duì)模型驗(yàn)證很有用，但厭氧真菌的基因工程工具仍在開(kāi)發(fā)中。尤其令人感興趣的是腸道真菌的氫化酶體代謝的闡明，這對(duì)ATP的產(chǎn)生有重要的影響，但至今仍未解決。我們對(duì)厭氧真菌中氫化小體機(jī)制的理解將受益于高質(zhì)量的基因組，并對(duì)模擬腸道真菌和產(chǎn)甲烷菌之間的自然共生關(guān)系至關(guān)重要。

厭氧生物群落的代謝和空間相互作用可通過(guò)生物信息學(xué)進(jìn)行模擬

Metabolic and spatial interactions in anaerobic consortia can be modeled in silico

厭氧微生物群落的模型可以在一系列的尺度上進(jìn)行發(fā)展，從基于細(xì)胞級(jí)的建模發(fā)展到過(guò)程級(jí)建模，并可以重建微妙的代謝相互作用和空間組織。木質(zhì)纖維素厭氧降解菌群通常形成非均質(zhì)生物膜，其中物種和環(huán)境之間的幾何結(jié)構(gòu)和質(zhì)量運(yùn)輸對(duì)新陳代謝有顯著的影響。在由好氧真菌生物膜與浮游厭氧產(chǎn)甲烷菌和細(xì)菌相互聯(lián)系組成的批處理系統(tǒng)中有很少的實(shí)驗(yàn)研究用來(lái)描述木質(zhì)纖維素的活性。在這些系統(tǒng)中，局部濃度梯度非常明顯以至于專性厭氧與好氧生物膜可以共存于一個(gè)反應(yīng)器中，這突出了在聯(lián)合模型中考慮大規(guī)模轉(zhuǎn)運(yùn)的價(jià)值。

包括腸道真菌在內(nèi)的厭氧菌群幾乎總是局限于分批培養(yǎng)，因此FBA必須擴(kuò)張到非穩(wěn)態(tài)行為的模型。動(dòng)態(tài)FBA（dFBA）已成功地應(yīng)用于兩種梭菌共培養(yǎng)的纖維素代謝模型，梭菌/沃廉菌共培養(yǎng)體系中的葡萄糖代謝, 用生物信息學(xué)預(yù)測(cè)穩(wěn)定的合成生物降解菌群，以及由Henson等人概述的基于其他微生物群落的應(yīng)用。除了混合好的不穩(wěn)定的系統(tǒng)外，還有幾個(gè)模型（表2）整合了基因組尺度的代謝和時(shí)空的大規(guī)模轉(zhuǎn)運(yùn)。雖然這些研究沒(méi)有明確模擬生物量退化，但是一但我們了解了真菌生物膜的結(jié)構(gòu)，空間的dFBA(sdFBA)的建模原理能被擴(kuò)展到包括厭氧真菌在內(nèi)的木質(zhì)纖維素降解菌群（consortia）。

表2. 專性和兼性厭氧菌的基因組規(guī)模代謝模型結(jié)合時(shí)空物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)

結(jié)論與展望

Conclusions and perspectives

近年來(lái)，通過(guò)多組學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，厭氧微生物群落在實(shí)現(xiàn)生物技術(shù)潛力方面取得了巨大的進(jìn)步。編碼CAZyme序列的數(shù)據(jù)量極速增長(zhǎng)，特別是由最近的多組學(xué)工作產(chǎn)生的非字符化序列說(shuō)明了這些技術(shù)在闡明復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)容方面的威力。通過(guò)生物化學(xué)或靶向表達(dá)實(shí)驗(yàn)對(duì)這些序列進(jìn)行細(xì)致的描述，無(wú)疑將為CAZyme群落帶來(lái)具有非凡功能的新穎的酶，不僅擴(kuò)展了用于生物處理酶的工具箱，而且改善了為準(zhǔn)確的GSMs提供的基因組注釋。然而，要完全了解微生物群落是如何合作降解生物質(zhì)，需要我們對(duì)異質(zhì)生物膜中發(fā)生的代謝和空間相互作用的理解方面取得重大進(jìn)展，需要能夠表征生物空間分布特征和解決物種特異性生長(zhǎng)速率的生物成像技術(shù)。盡管如此，在組學(xué)和代謝表征技術(shù)方面的未來(lái)進(jìn)展可能使我們對(duì)厭氧微生物群落的預(yù)測(cè)理解成為可能，從而使微生物群落成員和菌落生產(chǎn)的復(fù)雜工程成為可能。

Reference

Stephen P. Lillington, Patrick A. Leggieri, Kellie A. Heom & Michelle A. O’Malley. Nature’s recyclers: anaerobic microbial communities drive crude biomass deconstruction. Current Opinion in Biotechnology 62, 38-47, doi:https://doi.org/10.1016/j.copbio.2019.08.015 (2020).