著名经济学家Adam Smith在经典著作《国富论》中指出，分工是提高劳动生产率和增加国民财富的主要途径之一。同人类等其他高等生物群体一样，微生物群落也是一个复杂的高度组织化的“社会”。微生物代谢驱动着全球生物地球化学循环。在微生物群落中，一条代谢途径既可以由单一微生物种群来执行，也可以由不同种群间的分工合作来完成，即代谢分工（Metabolic Division Of Labor,MDOL，图1）。自然界中如硝化、甲烷厌氧氧化及复杂有机物的降解等很多重要代谢过程都以代谢分工的形式完成。然而，我们对这种代谢行为如何塑造微生物群落、分工群落如何稳定存在知之甚少。如果微生物也有生产流水线，那么如何有序维持呢？工学院吴晓磊教授、聂勇助理研究员课题组通过一系列研究给出了答案：不患寡而患不均。
图1：代谢分工群落的构建原理
2022年9月27日，Cell Reports杂志刊发了吴晓磊、聂勇课题组题为“Even allocation of benefits stabilizes microbial community engaged in metabolic division of labor”的研究论文。该论文构建了可用于精确预测代谢分工微生物群落组装的理论框架，为利用代谢分工策略设计和调控人工微生物群落奠定了理论基础。
吴晓磊、聂勇课题组以降解复杂有机物的代谢分工群落作为研究对象，已解析了底物特性调控代谢分工群落构建的规律（https://doi.org/10.1002/mlf2.12025），以及代谢分工群落的空间组装特征（https://doi.org/10.1128/spectrum.01944-21）。在这些研究的基础上，课题组基于描述代谢分工群落动态的数学模型，通过严谨的数学推导，建立了一个更精简和全面的理论框架，用以预测该群落的稳定性与组装特征。这个框架（如图1）指出：为了维持代谢分工群落的稳定，负责线性代谢途径中初始步骤的菌株应该比执行最后一步的菌株具有生长优势（m），且优势（m）必须大于最后一步菌株所获得的“私有化利益”（n）。对于一个稳定的代谢分工群落，执行最后一步菌株的相对丰度等于n和m的商。研究进一步通过对模式微生物菌株的遗传改造，人工构建了萘降解代谢分工群落。分析表明，代谢分工微生物群落的组装可以由有限数量的参数决定。由数学模型推导得到的理论框架可以准确预测两步和多步萘降解代谢分工合成菌群的的稳定性和组装特征。这一定量预测规律的提出有助于我们理解自然微生物群落的构建原理，并为稳定微生物系统的设计构建与代谢途径优化提供了新的见解。本论文一名匿名评审专家指出：“我相信这项工作为微生物组工程的代谢途径优化研究作出了杰出贡献。据我所知，这是第一次结合数学模型和实验分析来研究微生物代谢分工，是理论与实验验证的完美结合。研究得到的数学原理是美妙的，并得到实验数据的有力支持。”
本文第一作者是工学院2021届博士王淼啸（目前在瑞士苏黎世联邦理工学院从事博士后研究），吴晓磊、聂勇为本文共同通讯作者。工学院博士生陈晓丽、刘晓楠，参与了研究结果的分析。瑞士苏黎世联邦理工学院的Martin Ackermann教授对该研究提供了帮助。本论文在第二十三次全国环境微生物学术研讨会上被评为“简浩然环境微生物基金”优秀论文。该研究得到了国家重点研发计划（2018YFA0902100）和基金委中-瑞国际合作与交流项目（32161133023）的资助。