人工合成微生物組的構建與應用

徐昭勇，胡海洋，許平，唐鴻志

（上海交通大學生命科學技術學院，微生物代謝國家重點實驗室，上海 200240）

隨著基因組學和系統生物學的興起，科學家開始用嚴格的工程學對細胞的生物行為進行改造與控制，由此衍生出了新的研究領域稱為合成生物學［1］。隨著合成生物學的快速發展，越來越多的科學家不再局限于將多個基因模塊進行組裝從而實現特定的生物功能，轉而開始對不同的微生物菌株進行整合［2-7］，依據相互作用、空間協調、菌群穩定和生物遏制等原則，人工創建可以滿足特定需求的穩定的微生物群落，這些群落被稱為人工合成微生物組［8-9］。人工合成微生物組的迅速發展，對于理解并操縱天然群落，揭示群落穩定互作的分子機制具有重要意義［10-13］。同時，由于人工合成微生物組可以穩定地執行復雜的任務，該領域的研究也為合成生物學在工業和環境修復方面的應用開拓了新的方向［14］。

1 構建合成微生物組的原則

構建人工合成微生物組有四個關鍵原則：①相互作用；②空間協調；③菌群穩定；④生物遏制。遵循這四大原則構建的合成微生物組，才能實現高效穩定安全地運行。

1.1 相互作用

自然界的生物之間存在著廣泛且多樣的相互作用，微生物之間也存在著復雜的互作網絡，時刻在進行相互競爭和資源交換［15］。但是不同的菌種間的互作程度和依賴程度不一樣，會造成微生物組的表型不同。合理利用菌群的代謝相互作用（例如分配必需營養物質、調整代謝路徑等）將有利于使資源的利用率最大化，完成所需要的任務［16-20］。

1.2 空間協調

盡管天然環境中許多微生物之間存在互作關系，但不同的微生物之間存在空間界限，同種類的菌株通常聚集在一起形成一個菌落，而其他菌株則聚集形成其他菌落。在空間上散落分布的不同菌落通常會在系統中產生資源利用率不同的局部亞菌群，從而增強了局部的相互作用，避免全局性的系統崩潰。所以在構建人工微生物組的時候應該考慮到不同微生物之間的空間協調，提高微生物組的環境適應力［21-22］。

1.3 菌群穩定

人工微生物組的工程應用具有一定的挑戰性，可能會遇到環境變化以及菌群競爭的挑戰，所以在構建時需要考慮人工微生物組在環境中的長期穩定性，制定相應的互作策略來加強各個菌種之間的合作［12，23-26］。另外，微生物的基因可能會發生突變，從而導致功能的喪失，給微生物組的工程應用造成困難，所以設計時應該避免使用突變率較高的基因，并優化代謝路徑，使微生物組能夠在長時間內維持菌群的功能［19，27-29］。

1.4 生物遏制

如果在開放環境中應用人工微生物組，則需要對微生物組的細胞數量增長進行精準的調控，利用營養缺陷或致死開關確保微生物組的菌群密度和功能處于一個理想的狀態［30］。此外，還應該確保工程菌中人工構建的基因不會釋放到環境中而造成自然生態系統的破壞，產生意想不到的負面后果，所以需要有特定的機制來降解工程基因線路［31-35］。

2 構建合成微生物組的策略

2.1 營養互補

在構建合成微生物組時，可以通過人為設計菌株之間的營養互補，從而較為方便地實現互養、共生的目的［36-40］。最常見的方法，是通過基因敲除，使不同菌株之間可以交叉提供必需的營養物質。例如，敲除某種氨基酸的合成基因，不同菌株就可以通過交叉提供生命活動所必需的氨基酸來控制菌群組成和生長速率［41-46］。通過調節相關基因的表達與相應氨基酸的產出，可以調節代謝物的交換速率并控制微生物的生長速率和菌株比例［41］。2014 年Church 和Wang 等［45］的研究指出，生物合成成本更高的氨基酸（包括蛋氨酸、賴氨酸、異亮氨酸、精氨酸等）會對個體帶來更大的代謝負擔。實現這類氨基酸的互補，可以有效減少個體的代謝負擔，更有利于菌株之間的交叉供養，支持整個合成微生物組的協同生長。因此，通過高合成成本氨基酸的互補策略構建的微生物組，比通過低合成成本氨基酸的互補策略構建的微生物組，有更強的協同作用。除此以外，通過氨基酸和核苷酸之間的互補（如腺嘌呤和賴氨酸的互補）［47］，以及代謝中間產物的互相供給（如乳酸和甲酸的互相供給）來構建人工菌群［48］，也被證明可以實現類似的效果，為營養互補的設計策略提供了更加靈活的執行方案。

2.2 代謝途徑分割

目前，合成生物學技術已經可以通過單一的底盤細胞實現復雜的生物功能，但是有時仍然會存在效率低下的問題。效率低下的原因非常復雜，涉及到細胞活動的各個方面。部分情況下是由于人工設計的代謝途徑負擔過重，超過了單一細胞的承載上限，出現了負反饋抑制，導致合成細胞催化效率低下。而如果將其中某些代謝步驟交由另一種兼容性更高的微生物來進行，則可以有效減輕單一菌種的代謝負擔，提高最終的轉化效率［49-52］。例如2017 年宋浩和元英進教授課題組［49］將一條微生物產電的代謝通路分配到3 種不同的菌株中，由3 株菌共同完成產電功能。最終，單位原料的產電效率提高了55.7%，并且穩定發電的時間更長。除此以外，由于不同菌株之間存在代謝系統的差異，在單一的底盤細胞中整合多宿主來源的代謝元件時，很難實現目標化合物的完全降解至三羧酸循環或產出需要的化合物，往往需要多個菌種或者細菌-真菌的聯合微生物組才能完成目標，因此將代謝途徑在不同菌株中進行整合是一種構建微生物組有潛力的選擇［53-56］。

2.3 解除生長抑制

在微生物應用于實際生產或修復的研究中，菌株出現生長抑制是很常見的現象。例如，某個關鍵代謝節點成為整條代謝途徑中的限速步驟，由于這種限速步驟的反應速度較慢，會導致相應代謝中間產物的積累，從而對整條途徑的代謝速率產生影響［55，57］。如果積累的中間代謝產物本身對菌株具有毒性，則隨著代謝物濃度的升高對細胞的抑制作用會越來越強，最終導致整體的代謝嚴重受阻［58-59］。針對這類限速步驟，目前比較常見的解決方案是引入其他對此類中間代謝產物代謝較快的菌株，幫助及時轉化中間產物，從而促進整體反應的進行。2003 年Gilbert等［57］針對大腸桿菌SD2（Escherichia coli SD2）降解對硫磷時會積累中間產物對硝基苯酚的問題，通過引入惡臭假單胞菌KT2440 pSB337（Pseudomonas putida KT2440 pSB337），降解對硝基苯酚，從而有效防止其在培養物中的積累，增大反應速率。Muller 等［58］于2019 年的研究發現，在利用脫硫酸鹽橡菌（Desulfatiglans anilini）降解苯胺時會產生危害菌株生長的中間代謝產物硫化氫，通過引入消耗硫化物的光養細菌桃紅莢硫菌（Thiocapsa roseopersicina）可以去除硫化氫對D.anilini的抑制作用。

2.4 降低突變率

合成微生物組的穩定性除了菌群層面的穩定，還需要考慮基因組層面的穩定，避免經過人工編輯的基因發生突變導致菌群設計功能的丟失［60］。降低突變率有三種方法：第一種是降低表達量，高表達的遺傳線路會給菌株帶來較大的代謝負荷，造成細胞適應性降低，如果不需要較高的表達水平，使用低拷貝或中等拷貝質粒將有助于穩定性的提高；第二種是避免重復序列，如果遺傳線路具有較高的代謝負荷而且在高拷貝質粒上又有重復序列時，重復序列之間的基因容易在對數生長期丟失，因此在設計復雜的遺傳線路時，需要在微生物組中適當提高終止子的種類，避免出現重復的序列；第三個是使用誘導型啟動子，與非誘導型基因線路相比，誘導型基因線路的代謝負荷更低、更穩定，并且誘導型啟動子可以通過微調實現對基因表達的有效控制［61］。

3 構建合成微生物組方法

合成微生物組通常有兩種設計方式，分別是“自下而上”的方法和“自上而下”的方法。其中“自下而上”的方法是指通過理性設計，構建微生物之間的人工代謝網絡來完成所需的任務；而“自上而下”的方法則是針對所需要執行的生物功能，通過調整篩選條件，獲得符合要求的功能菌株［62-64］。在確認了設計方式之后，即可按照上述策略，用改造或篩選得到的功能菌株構建出初始的合成微生物組（圖1）。

3.1 “自下而上”的方法

“自下而上”的方法需要明確微生物的代謝路徑，對功能基因元件進行篩選和改造，并將其整合到合適的菌株中。菌株可從自然界篩選得到，也可通過對模式微生物進行改造從而得到滿足特殊的功能需求的菌株。基因元件可以來自已報道的元件庫，也可以自行篩選獲取。針對合成微生物組所需要執行的特定生物功能，根據現有的微生物代謝庫，查明其代謝通路，明確代謝通路中涉及的基因，在不同宿主中篩選相關的基因元件，整合到合適的底盤微生物中，使其具備相應的功能［65-66］。例如Lorenzo 等［65］于2013 年將E. coli 的乙酸激酶基因（ackA）和耐氧運動發酵單胞菌（Zymomonas mobilis）的丙酮酸脫羧酶基因（pdc）和乙醇脫氫酶II 基因（adhB）敲入P.putida，使其能夠無氧降解1，3-二氯-1-丙烯。

圖1 合成微生物組的構建步驟及方法Fig.1 Steps and methods for constructing synthetic microbial consortia

3.2 “自上而下”的方法

“自上而下”的方法相比于前一種方法會更加直接。針對所需要執行的生物功能，可以控制環境條件篩選獲得不同的功能菌株，比較這些菌株的代謝能力，依據功能進行分類和組合，最終得到一個最小但能發揮較大作用的微生物組［67-71］。例如，對于纖維素這類非單一性物質，或者其他目前難降解的物質的降解，從自然界直接篩選降解微生物時往往會分離出多種微生物。2018 年Salles等［72］在富集木質纖維素降解菌時，共篩選出18種降解菌株，這些菌株之間存在互作關系，通過微生物的鑒定可以將它們按特性進行重組。最終得到包含5種菌株的最小微生物組，能夠有效降解木質纖維素。

4 合成微生物組的應用

4.1 微生物生產

合成微生物組目前已經廣泛應用于微生物生產和微生物修復領域［73-74］。在生產領域常見于生物能源、化工產品和藥物的生產［75-79］。其中，生物能源包括沼氣、氫氣等清潔能源，還可以利用合成微生物組直接進行生物發電；化工產品主要用來大量生產異丙醇、異丁醇等；在生物藥物的合成領域，利用合成微生物組可以高效合成紫杉醇的前體物質氧化紫杉烷等高價值產品（表1）。

4.1.1 生物能源

生物能源具有可再生、污染小的特點，被認為是綠色能源，是21 世紀能源開發和環境保護的重點研究對象。Calusinska 等［80］于2012 年分別利用4 種單獨的純梭狀桿菌菌株（Clostridium ssp.）和由它們共同組成的人工合成的微生物組進行氫氣生產，比較它們氫氣的產量和生成速率，每種菌株都能夠利用葡萄糖和淀粉作為碳源有效產生氫氣。結果表明底物消耗量相同時單菌株和微生物組的氫氣產量之間沒有明顯差距，但微生物組產生氫氣的速率遠遠高于純菌株。同時，微生物組能夠完全消耗淀粉而不需任何預處理，但純菌株丁酸梭菌（Clostridium butyricum）或巴氏梭菌（Clostridium pasteurianum）只能部分消耗淀粉，底物利用不徹底。蘇海佳教授課題組［48］于2019年通過營養互補構建了一套能以淀粉為碳源產生氫氣的微生物組。首先，蠟樣芽孢桿菌A1（Bacillus cereus A1）通過代謝淀粉產生乳酸，而泡囊短波單胞菌B1（Brevundimonas naejangsanensis B1）能利用乳酸作為碳源產生氫氣，同時在代謝乳酸的過程中會產生甲酸，甲酸作為電子介體又可以被B.cereus A1利用來加快氫氣的產生。

表1 合成微生物組在生物生產方面的應用Tab.1 Applications of synthetic microbial consortia in biosynthesis

Malley 等［68］于2019 年基于“自上而下”的富集方法，篩選得到可以降解木質素的菌株來構建能夠產生沼氣的微生物組。微生物組的沼氣產量比單菌株高出75%～190%，發酵速率高出140%～210%。另外，該研究基于這些菌株采用“自下而上”的方案構建了幾種合成的微生物組，將新美鞭 菌（Neocallimastix californiae） 和 厭 氧 鞭 菌（Anaeromyces robustus）與產甲烷菌株反芻甲烷桿菌（Methanobacterium bryantii）相互配對，雖然菌株之間也存在相互作用，但產氣速率及底物降解速率并沒有得到明顯提升，而且穩定性比天然篩選的微生物組更差。

除了生產生物能源以外，利用微生物組直接進行生物發電也逐漸成為研究熱點。宋浩和元英進教授課題組［49］于2017 年將E.coli-Lac 進行工程改造，敲除了丙酮酸代謝旁路的pflB基因后能夠提高丙酮酸轉化為乳酸的量，為發電菌株提供足夠的碳源，同時在系統中引入枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）為發電菌株提供大量核黃素。發電菌株鐵還原細菌（Shewanella oneidensis）以乳酸作為碳源并將乳酸氧化為乙酸鹽提供電能，可以保證550 mV 電能的穩定輸出。同時，產生的乙酸鹽可以反過來為E. coli 和B. subtilis 提供營養物質。 Chen 等［56］于2017 年 則 構 建 了 一 個 由S.oneidensis MR-1和B.subtilis RH33組成的合成微生物組進行發電，后者可以為前者提供高濃度的核黃素，大大提高生物發電能力，該微生物燃料電池能夠穩定地循環運行500 h以上。

4.1.2 化工產品

異丁醇、異丙醇等需求量大的化工產品除了用傳統的物理化學方法提煉，利用微生物發酵生產得到了越來越廣泛的應用。Lin 等［54］于2013 年開發了一個合成真菌-細菌菌群，該菌群利用木質纖維素為底物進行生物降解產生異丁醇。首先利用里氏木霉（Trichoderma reesei）產生纖維素酶，將纖維素水解為可溶性寡糖，然后寡糖通過其細胞壁表面的β-葡萄糖苷酶進一步被水解為葡萄糖，最后葡萄糖被E.coli發酵生成異丁醇。研究證明微晶纖維素、膨化氨纖維和預處理過的玉米秸稈均可以以這樣的方法直接轉化為異丁醇，滴度最高達1.88 g/L，產率最高達理論最大值的62%。

Hanai等［50］于2019年將酶生產菌株和異丙醇生產菌株耦聯，生產酶的E.coli在生長過程中產生β-葡萄糖苷酶并逐漸積累，并在外源誘導物異丙基-β-D-硫代半乳糖苷（isopropyl-β-D-thiogalactopyranoside，IPTG）和四環素以及內源信號分子N-酰基高絲氨酸內酯（N-acyl homoserine lactones，AHL）的聯合作用下發生裂解，釋放出β-葡萄糖苷酶，將環境中的纖維二糖轉化為葡萄糖，合成異丙醇的E.coli則利用葡萄糖發酵生產異丙醇。微生物之間的耦聯使得每個菌株表達蛋白質的負擔和其他代謝負擔大大減小，纖維二糖的糖化效率和異丙醇的生產效率得以顯著提高。

4.1.3 藥物

用生物合成的方法來生產藥物，很大程度上解決了一些天然藥物產量低的問題，能大幅降低生產成本。目前在工業上已經開始使用人工微生物群落進行維生素C 的前體2-酮古洛糖酸（2-ketogulonic acid，2-KGA）的生產，由普通生酮基古洛酸菌（Ketogulonicigenium vulgare）和巨大芽孢桿菌（Bacillus megaterium）參與完成。元英進教授課題組［81］于2011 年的分析表明，B.megaterium 可以為K.vulgare 提供其生長所必需的物質（如嘌呤核苷酸）合成的前體。此外，生物進行有氧呼吸時會產生反應性氧脅迫（reactive oxygen stress，ROS），產生ROS 的物質如超氧陰離子、過氧化氫和羥基自由基等，可以攻擊DNA，導致DNA 鏈斷裂和點突變。而B. megaterium 在芽孢形成過程中為K.vulgare 提供諸如嘌呤等基本成分，能夠增強K.vulgare 能量的產生并促進其生長和代謝，幫助其抵抗ROS。

Stephanopoulos 等［55］于2015 年將紫杉醇前體（氧化紫杉烷）的合成途徑分為兩個模塊來生產，分別在E. coli 和釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）中表達，這兩者都不能單獨產生氧化紫杉烷。但是通過設計兩者之間的互作聯系，可以在同一生物反應器中實現二者穩定的共培養：E. coli TaxE1 利用木糖生長產生乙酸鹽，為S. cerevisiae TaxS1 的生長提供唯一碳源，同時S.cerevisiae TaxS1 利用E.coli TaxE1 代謝產生的紫杉二烯（taxadiene）合成氧化紫杉烷（oxygenated taxanes）。

4.2 微生物修復

合成微生物組在生物修復領域也有著廣泛的應用，目前已經在BTEX［苯（benzene）、甲苯（toluene）、乙苯（ethylbenzene）、二甲苯（xylenes），統稱為BTEX］、鹵代苯族化合物、塑料等這類難降解、污染大的石油及其衍生產品的降解方面展示出了很好的應用前景［82-85］。而在農業生產領域，微生物組降解農藥的潛力也被逐步挖掘出來（表2）。

4.2.1 石油及其衍生產品的降解

石油及其衍生產品極大地促進了現代工業的發展，同時帶來了嚴重的污染。因此，解決石油及其衍生產品（如烷烴、芳香烴、鹵代烴、塑料等）所引起的污染，是各國研究者關注的重點。唐鴻志教授課題組［86］于2020 年從被石油污染的土壤中篩選得到能夠降解石油的微生物組，由無色桿菌P3（Achromobacter sp. P3）、鞘氨醇單胞菌P10（Sphingobium sp. P10）和根瘤菌P14（Rhizobium sp. P14）組成，并根據最小值算法計算各菌株之間的最優構成比例，按比例與已報道的石油降解微生物組PDM 混合，降解效率提高了34.8%，5天內石油的總降解率達到78.9%。

Nagarajan 等［87］于2014 年基于不同菌株對不同單環芳族化合物進行生物降解的能力，選擇了P.putida F1 和斯氏假單胞菌OX1（P.stutzeri OX1）兩種菌株來組建合成微生物組。這兩種菌株都能以苯和甲苯為底物生長，此外，P. putida F1 和P. stutzeri OX1 還分別表現出對于乙苯和鄰二甲苯的降解能力，因此合成的微生物組具備更廣譜的BTEX降解能力。

D.anilini可以在完全缺氧的條件下降解有毒的芳香族化合物苯胺，但是，D.anilini降解苯胺會積累中間產物硫化物，而硫化物濃度的增加，會抑制細胞的生長，在20 mmol/L 的硫化物濃度下就能表現出完全抑制的作用。針對這一問題，Mullera等［58］于2019年引入硫化物代謝細菌T.roseopersicina進行共培養。與每天僅消耗0.006 mmol/L 苯胺的D. anilini 菌株純培養相比，共培養微生物組的苯胺降解速率顯著提高到0.016 mmol/（L·d）。

苯族化合物難降解，鹵代苯族化合物降解的難度更大。Katayama等［53］于2015年通過構建厭氧菌的微生物組實現了2，4，6-三溴苯酚（2，4，6-tribromophenol，2，4，6-TBP）的礦化。脫鹵素桿菌FTH1（Dehalobacter sp.FTH1）具有還原性脫溴的能力，將2，4，6-TBP脫溴轉化為苯酚，在這個過程中Clostridium sp. Ma13 通過發酵葡萄糖為Dehalobacter sp.FTH1 提供氫，最后在脫硫酸鹽橡菌DS菌株（Desulfatiglans parachlorophenolica DS）的參與下將苯酚礦化為CO2。

表2 合成微生物組在生物修復方面的應用Tab.2 Applications of synthetic microbial consortia in bioremediation

Skariyachan等［88］于2016年從塑料垃圾加工區篩選出兩株降解塑料的菌株，分別是陰溝腸桿菌屬（Enterobacter spp.）和泛菌屬（Pantoea spp.），以此構建的微生物組能夠降解低密度聚乙烯（lowdensity polyethylene，LDPE）薄膜及顆粒。該微生物組能夠利用LDPE 作為碳源，在45°C 和pH 8.5的條件下生長， 效果比微生物保存中心（Microbial Type Culture Collection，MTCC）的三株菌株P. putida MTCC 2445、P. stutzeri MTCC 2643和B.subtilis MTCC 9447 的單菌或由這三株菌株組合成的菌群的降解效果更好。

4.2.2 農藥的降解

除草劑、殺蟲劑等農藥的使用為現代農業帶來了很大的增產效益，但隨著農藥的過度使用，其在環境中的殘留以及對人、動物帶來的危害正變得愈發嚴重。Top 等［89］2003 年直接從降解除草劑利谷隆（Linuron）的培養物中分離出三種菌株，即貪噬菌WDL1（Variovorax sp. WDL1）、食酸戴爾福特菌WDL34（Delftia acidovorans WDL34）和假單胞菌WDL5（Pseudomonas sp.WDL5）。同時，從利谷隆降解的潛在中間產物如N，O-二甲基羥胺（N，O-dimethylhydroxylamine，N，O-DMHA）和3，4-二氯苯胺（3，4-dichloroaniline，3，4-DCA）的培養物中又分離出2 種菌株，伯氏節桿菌WDL6（Hyphomicrobium sulfonivorans WDL6）和睪丸酮叢毛單胞菌WDL7（Comamonas testosteroni WDL7）。在這五個菌株中，只有Variovorax sp.WDL1能夠利用利谷隆作為唯一的能量來源，Variovorax sp.WDL1首先將利谷隆轉化為3，4-DCA，同時產生N，O-DMHA。D.acidovorans WDL34 和C. testosteroni WDL7 在 降解3，4-DCA的同時，保護Variovorax sp.WDL1免受3，4-DCA積累而帶來的細胞毒性脅迫。N，O-DMHA最終可以被H.sulfonivorans WDL6有效吸收。

在殺蟲劑污染的修復研究方面，Gilbert 等［57］于2003 年構建了由兩種工程微生物組成的微生物組，對有機磷酸酯殺蟲劑對硫磷進行生物降解。含有對硫磷水解酶基因的E.coli SD2，能夠將對硫磷代謝為對硝基苯酚，然而對硝基苯酚的積累會對菌株自身的生長及對硫磷的降解產生不利影響，引入含有編碼對硝基苯酚礦化基因的菌株P.putida KT2440 pSB337來降解積累的對硝基苯酚，由此實現對硫磷的完全礦化。

5 總結與展望

與單一微生物相比，合成微生物組表現出了獨特的優勢，例如能明顯降低菌株的代謝負擔，彌補單一菌株自身的缺陷，并且能夠為多元化基因表達提供平臺，適應更復雜的應用場景［90-94］。構建合成微生物組分為“自下而上”和“自上而下”兩種方法，遵循4個基本原則，即：①相互作用，保證菌群中每種菌株的相互作用能夠使整體資源利用率最大化；②空間協調，保證菌群中每個局部的菌落之間相互協調；③菌群穩定，保證合成微生物組能在環境中維持長時間的穩定狀態；④生物遏制，保證人工菌群及人工構建的基因不會泄漏至開放環境中。現在比較普遍的構建策略有4種，分別是：①營養互補，通過在一個菌群中設計不同的營養缺陷型菌株，互相提供特定的必需營養物，實現不同菌株之間的穩定共生；②代謝途徑分割，將一條代謝途徑分割至不同的菌株當中，實現代謝耦合，減輕單一菌種的代謝負擔，可以有效提高催化效率；③解除生長抑制，微生物在代謝某些化合物時產生的中間代謝產物會抑制微生物的生長，引入其他微生物來消耗這類中間代謝產物，可有效解除生長抑制；④降低突變率，維持合成微生物組長期穩定的重要方法是降低突變率，維持基因的穩定，從而維持功能的穩定。

隨著合成生物學和微生物組學的快速發展并深度融合，合成微生物組已經成為現在微生物研究領域的熱點，由此開發的各種生物合成平臺、生物治理平臺在實際應用方面，都具有廣闊的發展前景［73，95-99］。目前已經有研究將合成微生物組應用于微生物生產、微生物修復等領域。在微生物生產領域，可以利用合成微生物組生產氫氣、甲烷等能源物質，異丁醇、異丙醇等化工產品，以及2-酮古洛糖酸、氧化紫杉烷等藥物。在微生物修復領域，利用合成微生物組降解石油、BTEX、苯胺、鹵代苯、農藥等污染物，可以擴大用于環境修復的微生物的底物譜，提高降解效率，使微生物能夠更廣泛地應用于環境修復中。

雖然合成微生物組已經有了不少應用，但是目前合成微生物組還存在一些亟待解決的問題。第一是需要開發適于進行正交遺傳線路操作的底盤菌株，這些底盤菌株需要在具備特定合成/降解功能的基礎上，具備良好的兼容性與穩定性，且易于進行遺傳操作，有明確的基因組圖譜，理想情況下還需具備新陳代謝模型。新底盤菌株的開發必定會推動合成微生物組研究在相關領域的應用［100］。第二，多種污染物構成的復合污染比單一污染物更為復雜，這給原位生物修復工作帶來了嚴峻的挑戰，因此，原位修復領域的合成微生物組設計需要朝著多種污染并行處理的方向發展［101］。第三，計算生物學推動了合成微生物組的發展，在重構菌群，解析菌種之間的相互關系方面有了一定的應用。但是，依然存在很多問題，例如無法準確預測群落演替、復雜菌群內部的相互作用模型不準確等，今后還需要針對這些問題進行解決［75］。合成微生物組正在成為微生物研究領域、合成生物學領域的一個新的研究熱點，隨著我們對各個微生物性質了解的深入，合成微生物組研究將會迎來更大的突破。

符號說明

AHL——N-酰基高絲氨酸內酯（N-acyl homoserine lactones）

3，4-DCA——3，4-二氯苯胺（3，4-dichloroaniline）

N，O-DMHA—N，O-二甲基羥胺（N，O-dimethylhydroxylamine）

IPTG— 異丙基-β-D-1-硫代半乳糖苷（isopropyl-β-D-thiogalactopyranoside）

2-KGA——2-酮古洛糖酸（2-keto-gulonic acid）

LDPE— 低密度聚乙烯（low-density polyethylene）

MTCC— 微生物保存中心（Microbial Type Culture Collection）

ROS——反應性氧脅迫（reactive oxygen stress）