梁任公言🎮：“無專精則不能成，無涉獵則不能通也。”治學需要專精和博學的辯證統一🤹🏻，匠人精神和兼修之道並行。各行各業的匠人通過分工協作🚣🏻♂️，共同推動了生產力的發展🤎🕳。博學則拓寬了匠人的思維邊界👩👩👦，激發了創新變革。在個人治學與事業中🌏，“專”與“博”的權衡取舍貫穿始終。無數個人的不斷權衡決定了社會發展的脈絡。 課題組以降解復雜有機物的代謝分工群落作為研究對象。在這類群落中，微生物呈現出多種社會組織形式🧛🏼♀️。在完全代謝分工群落中，每個種群專一於降解途徑中的一個特定步驟🖨，如同只具有一種功能的瑞士軍刀，呈現出極端的“專一”代謝狀態。相比之下👩🏻✈️，一個“超級菌株”種群可以獨自完成代謝途徑中的所有步驟，如同一個具有復雜功能的瑞士軍刀〽️，具備一種極端“廣博”的代謝能力。然而，本研究通過大量的合成群落培養實驗分析表明，效率最高的群落組織形式，既不是極端“專一”的完全代謝分工群落，也不是極端“廣博”的“超級菌株”，而是介於兩種極端情形的某些中間狀態👩❤️💋👨👷🏿♂️：在一些分工群落中，每個種群不只單一從事一項代謝任務，也不像“超級菌株”完全負責所有任務💇🏽♂️，而是完成多個非全部的代謝任務👮🏽♂️，這些種群組成了一種具有功能冗余的代謝分工模式。這種高效性由三個重要因素，即每個種群的平均代謝負擔🐴、代謝能力和代謝物轉運效率🍓，之間的相互權衡決定🦉。通過數學模型分析，研究進一步提出了針對不同代謝途徑時，選擇和構建最高效分工模式的簡化策略。生物信息學分析則指出，這類具有功能冗余的代謝分工模式🧔🏼，可能是自然界中微生物群落降解復雜有機物的主要形式。這些研究結果表明👌🏻，一個高效微生物群落中的每個個體也需要“專精和博學的辯證統一”，即在專一於某一項代謝功能的同時🐿，也需要兼顧其他功能🐴，但不必成為全才🧖🏻。這一發現為構建高效的合成微生物組提供了全新的策略。
個體代謝專一性與多功能性的權衡決定微生物群落的效率
文章匿名審稿人指出👷♂️🧑🏽🍳：“這項工作針對不同模式代謝分工群落的優缺點進行了迄今為止最全面的研究......它是一項裏程碑式的研究🛻，展現了微生物代謝分工以及微生物組工程的強大魅力。”同時，本研究是吳曉磊、聶勇課題組針對微生物群落分工協作關系👗，取得的又一重要突破。課題組前期已在Cell Reports🤷🏻、ISME J🙆🏿♀️、mLife等雜誌上發表了一系列研究成果💧：（1）揭示了在具有空間結構的環境中，微生物分工演化形成的條件（Wang et al, ISME J, 2021：https://doi.org/10.1038/s41396-020-00858-x）；（2）提出了代謝分工群落穩定性和組裝的定量規則（Wang et al., Cell Reports, 2022📞：https://doi.org/10.1016/j.celrep.2022.111410）；（3）闡明了底物特性調控代謝分工群落構建的定量原則（Wang et al., mLife, 2022：https://doi.org/10.1002/mlf2.12025）🐴；（4）揭示了代謝分工群落的空間組裝規律（Wang et al., Microbiology Spectrum, 2022：https://doi.org/10.1128/spectrum.01944-21）；（5）揭示了代謝通量調控代謝分工群落構建的定量原則（Chen et al., ACS Synthetic Biology, 2023：https://doi.org/10.1021/acssynbio.3c00022）👭🏼；本文第一作者是工學院2021屆博士王淼嘯（目前在瑞士蘇黎世聯邦理工學院從事博士後研究），吳曉磊、聶勇為本文共同通訊作者。工學院博士生陳曉麗參與了研究結果的分析。該研究得到了國家重點研發計劃（2018YFA0902100）和國家自然科學基金委中-瑞國際合作與交流項目（32161133023）的資助。