基于合成生物學研究思路，微生物組的設計、合成、測試和應用的研究得以開展，合成微生物組工程以“造物致知”和“造物致用”為核心理念，致力于構建可控的功能微生物群并應用于健康、農業、環境等不同領域。

微生物無處不在、無時不在，作為一個群體，微生物影響著地球的生態和人類的生產生活方式。進入 21 世紀以來，微生物學研究取得了長足的進展，隨著人們對微生物與環境質量、宿主健康與疾病等關系的研究和知識積累，微生物學研究開啟了微生物組學新篇章。

▲ 從微生物發現到微生物組概念形成

隨著研究技術的進步以及人們對多學科交叉、涉及多領域的微生物組概念內涵的逐步理解，微生物組研究開始進入嶄新的階段——從“造物致知”到“造物致用”的范式轉化，進而推動了合成微生物組工程研究的發展。

合成微生物組是人工設計和構建的微生物群，即針對原始微生物組成員多樣、互作網絡結構復雜、難重復、不易控制的特點，依照一定的原理（特別是生態學原理），通過在實驗室中開展“自上而下”或“自下而上”的理性設計方式，利用人工合成的特定技術把微生物組的各個必要成員精確組合到一起，從而構建的具有適中復雜度和較高可控性的、簡化的微生物群（ van Leeuwen et al. ， 2023 ）。合成微生物組在設計之初就必須有明確的應用目標，包括改善人類健康、改善環境、提高農業和工業生產效率等。例如，在醫學健康領域，合成微生物組可用于疾病預防與治療；在環境領域用于生態環境修復與污水處理；在農業領域用于改善土壤肥力以及作物性狀；在工業生產方面用于提高發酵水平及產量或改善風味；在可再生資源生物轉化以及生物能源合成方面也有應用潛力（ 徐昭勇 等， 2021 ）。合成微生物 組工程 就是利用工程化思維來合成一個有特定功能的微生物群，要解決的兩個核心問題是：合成微生物組的人工設計，以及合成微生物組的應用。

▲ 人腸道菌群的主要功能

合成微生物組的理性設計主要包括“自上而下”（ top-down ）和“自下而上”（ bottom-up ）兩種策略（ Lawson et al. ， 2019 ）。“自上而下”的方法是在對原始微生物 組理解 相對有限的情況下，通過控制環境條件，或者在一定內外源擾動因素作用下，馴化具有特定功能的合成微生物組，預測生態系統中微生物群的變化過程和規律。“自上而下”的設計通常要明確核心微生物群（ core microbiota ）（ Shade and Handelsman ， 2012 ），即在 類似生活 環境中或具有類似功能的不同微生物菌群中共有的一組微生物成員。構建研究成員最少的核心微生物群，有利于識別復雜原生微生物組中穩定、一致、起核心關鍵作用的組分，是了解復雜微生物組結構和功能的時空變化規律、穩定性和可塑性的重要手段。此外，復雜微生物關系網絡中與其他組分關聯性高的樞紐物種（ hub species ）可能在微生物 組復雜 相互作用中發揮著至關重要的作用，樞紐物種可以作為指示類群（ indicator taxa ）， 特異性指示某種實驗處理或環境條件的類群（ De C á ceres et al. ， 2010 ），幫助理解微生物組動態變化的動力學模式。

隨著微生物組學方法學體系的逐步發展，研究者可以通過多組學數據預測微生物群落特定 的代謝網絡及其調控機制，進而開展合成微生物群“自下而上”的理性設計和組裝，這與合成生物學以“設計 - 構建 - 測試 - 學習”為核心的理念更為一致，路徑相通。“自下而上”的設計路線以功能為導向，側重于評估群體中單個物種的代謝特征和功能（例如抗炎能力），并將每個物種都作為一個功能模塊用于群體的搭建，以實現所設計的最終功能（鄧婷等， 2020 ； 徐昭勇 等， 2021 ）。由于對 非模式 微生物生理代謝機制的研究相對匱乏，“自下而上”的設計在非模式微生物群落中的應用還很有限（ Lawson et al. ， 2019 ），大多數的合成共生微生物組（ SynComs ）是利用模式微生物組成的簡單群落（朱彤和吳邊， 2019 ）。

▲ 基于平板涂布法的糞便樣本中厭氧微生物分離培養的一般流程示例（杜夢璇， 2021 ）

微生物 組應用 的最典型案例 是糞菌移植 （ fecal microbiota transplantation ， FMT ），即將健康人糞便中的功能菌群移植到患者腸道內以修復或重建新的腸道菌群和生態系統，從而恢復免疫系統平衡、提高病原菌抗力、實現腸道內外疾病的治療。 糞菌移植 已被嘗試用于炎癥性腸病（ IBD ）、艱難梭菌感染、代謝綜合征等疾病的治療，并取得了積極的臨床效果（ de Groot et al. ， 2017 ）。然而， 糞菌移植 采用的是原始的腸道微生物菌群，治療機理不明確，功效偶然性大，且仍存在細菌感染的風險（ Blaser ， 2019 ； DeFilipp et al. ， 2019 ），因此，未來還需要采取更加可控的、基于人工設計的合成微生物組的方法，進行腸道微生物菌群的調節和控制。目前，已有合成腸道菌群在炎癥性腸病治療方面的應用。例如， Honda 團隊在 2018 年開發的菌群藥劑 VE202 進入臨床研究，用于調節宿主的免疫系統紊亂（ Atarashi et al. ， 2013 ， 2011 ）。該團隊利用健康人體糞便中分離出的 11 種細菌菌株組成合成菌群，該菌群可以在腸道中穩健地誘導產生 γ 干擾素的 CD8 T 細胞，并用于癌癥的免疫輔助治療（ Tanoue et al. ， 2019 ）。 2022 年，來自美國斯坦福大學的研究人員通過分析人類微生物組計劃（ Human Microbiome Project ， HMP ）產生的宏基因組數據，在體外構建了一個由 104 種細菌組成的人類腸道微生物組 hCom 1 （ human community one ），隨即將其升級為更接近腸道微生物組的 hCom2 ，其由 119 種細菌組成，是迄今為止最為復雜、完整的合成微生物組，展現了與天然腸道微生物組相近的抗病功能（ Cheng et al. ， 2022 ）。

▲ 益生菌的作用機制（改自 Sanders et al. ， 2019 ）

除了在醫療健康領域的應用，人工合成微生物組在農業生產、生物制造和環境修復領域也具有廣泛的應用，具體包括生物肥料、生物釀造、生物能源、化工產品、生物醫藥、污染物降解等（曲澤鵬等， 2020 ； 徐昭勇 等， 2021 ）。

《合成微生物組工程》編者均是活躍在一線的微生物學和微生物組學領域的科技工作者與教育工作者，他們結合各自的長期研究積累，對合成微生物 組工程 的概念、基本知識和研究進展等進行系統總結與展望，并撰寫成本書。

?上下滑動查看更多

Slide for more photos

合成微生物組工程

劉雙江主編

ISBN 978 - 7 - 03 - 079860 - 2

全書共有 7 章，

• 第 1 章緒論總體介紹了微生物組學研究的由來、研究對象、研究思路和技 術方法，提出了合成微生物 組工程 的概念（作者：劉雙江、劉亞君）；

• 第 2 章對宏基因組、培養組、單細胞表征等微生物組研究的共性技術進行了系統總結（作者：戴磊、劉暢、徐健、左文龍、譚宇翔、曹朝輝、王建美）；

• 第 3 章總結 了目前對皮膚、腸道等重要人體微生物組的研究進展（作者：戴磊、吳璐、王瑩、鄺小賢）；

• 第 4 章主要介紹腸道微生物的生物學研究（作者：劉暢、高翔、鞠峰、黃 浩 杰、孫鑫煒、張良、張耀昆、熱西丁、焦緒瑤、楊延、徐曉寧、曲澤鵬、劉紅賓、鄭靈剛、沈俊濤），

• 第 5 章介紹腸道噬菌體研究進展與應用（作者：馬迎飛）；

• 第 6 章以人工合成活性污泥為例，系統介紹了合成微生物 組工程 在污水處理中的應用（作者：王玉琳、鞠峰）；

• 第 7 章對合成微生物 組工程 在基礎研究和實際應用中的前景進行了展望，分析了未來的發展方向和挑戰（作者：劉亞君、劉雙江）。

期望本書能夠為讀者提供一些幫助，推動合成微生物 組工程 研究的發展。

本文摘編自《 合成微生物組工程 》（ 劉雙江主編 . 北京 : 科學出版社 ; 濟南 : 山東科學技術出版社 , 2025 . 3 ）一書“前言”“ 第 1 章 緒論 ”，有刪減修改，標題為編者所加。

( 合成生物學叢書 )

ISBN 978 - 7 - 03 - 079860 - 2

責任編輯：王 靜 羅 靜 高璐佳 陳 昕 張 琳

本書適用于微生物學、基礎和臨床醫學、微生物生態學、合成生物學等相關領域的科研人員、工程技術人員和高校師生在科研及教學中參考。

（本文編輯：劉四旦）

一起閱讀科學!

科學出版社│微信ID：sciencepress-cspm

專業品質 學術價值

原創好讀 科學品位

科學出版社視頻號

硬核有料 視聽科學