综述：利用合成生物学重新设计共生体系统

《TRENDS IN Biotechnology》：Rewiring holobiont systems with synthetic biology

本综述系统阐述了合成生物学工具（如细菌生物传感器、跨界通讯、表面展示和CRISPR-Cas系统）在解析和改造共生体（Holobiont）系统中的应用，提出了“从头设计共生体”（de novo holobiont design）的新兴领域，为理解宿主-微生物组互作机制及开发生物技术新前沿提供了创新视角。

　　

合成生物学工具助力共生体系统研究

共生体（Holobiont）是指宿主与其关联的微生物群（包括细菌、古菌、真菌、原生生物和病毒）共同构成的一个协同整体，作为一个独立的生态和进化单元发挥作用。理解其内部复杂的相互作用对于揭示营养吸收、免疫功能和环境适应等生物学过程至关重要。合成生物学通过提供精确的遗传工具，正推动该领域从描述性研究转向功能性工程。

合成生物学工具包解析共生体

表面展示：工程化直接物理接触

微生物伙伴需要通过细菌粘附素蛋白与宿主受体结合，完成“初次握手”以定植。表面展示技术通过将异源蛋白（如纳米抗体）与锚定基序融合表达，使它们突出细胞表面，介导与环境中其他细胞的相互作用。例如，利用根癌农杆菌（Agrobacterium tumefaciens）的自转运蛋白Aat展示识别绿色荧光蛋白（GFP）的VHH抗体片段，可重编程其粘附特性，使其能结合表面展示GFP的酵母和人类HeLa细胞。这种模块化方法为构建合成地衣样共生体或靶向病原体的工程益生菌提供了可能。

跨界通讯系统：重编程共生体对话

共生体依赖双向分子对话维持共生伙伴关系和整体健康。合成生物学通过工程化跨界通讯通道来解读或操控这些信号。例如，工程化大麦植株产生根瘤菌素（rhizopine），并改造Azorrhizobium caulinodans细菌共生体，使其具备根瘤菌素依赖性检测和调控固氮酶基因的能力，实现了选择性工程共生，确保固氮益处仅提供给目标作物。在微生物到宿主的信号传导方面，工程化细菌共生体可表达群体感应信号（如pC-HSL），被拟南芥（Arabidopsis thaliana）中工程化的受体检测后产生GFP。未来，利用小非编码RNA（ncRNA）作为通用信使进行工程化双向信号传递极具吸引力，例如，宿主可工程化产生ncRNA，通过短转录激活RNA（STARs）或RNA toe-hold开关调控微生物基因的转录或翻译。

细菌生物传感器：实时追踪共生体生理状态

工程化细菌生物传感器利用遗传电路，将信号感应元件（如诱导型启动子或核糖开关）与可检测输出（如荧光、生物发光或DNA记录）的基因相结合，为监测复杂动态共生体中的特定生物标志物提供了非侵入性策略。例如，改造大肠杆菌（Escherichia coli）Nissle 1917以检测指示炎症的肠道代谢物（如硫代硫酸盐和硝酸盐）以及GABA等神经活性分子。基于菌群的生物传感通过将计算能力分布在细胞间来执行复杂操作，降低了代谢负担并实现了多输入信号检测。

CRISPR-Cas系统：宿主和微生物组层面的多功能工具

CRISPR-Cas系统不仅可用于精确的基因组编辑，例如在蜜蜂肠道共生体Snodgrassella alvi中敲除自转运粘附素StaA基因，证实其定植能力显著受损；还可用于构建遗传逻辑电路（如NAND、NOT、NOR、XOR等），以检测多种化学输入。在人类肠道共生体Bacteroides thetaiotaomicron中，利用dCas9构建的NOT和XOR电路，能够响应无水四环素和脱氧胆酸，实现了对特定菌群成员的靶向种群控制，有助于阐明菌群内的功能冗余。

共生体微生物组工程的通用工作流程

工程化共生体微生物组通常比工程化宿主更容易。其通用流程包括：培养非模式微生物、克服外源DNA导入障碍、鉴定复制起点和选择标记及基因组整合工具、以及在非模型细菌微生物组成员中识别生物部件（如启动子、核糖体结合位点RBSs、终止子和诱导系统）。高通量筛选工具（如POSSUM工具包）和计算工具（如GroovDB、TFBMiner）极大地促进了这一过程。

模型共生体系统与从头设计共生体的考量

新兴模型系统

九头蛇（Hydra）和地衣（Lichens）是合成生物学社区感兴趣的新兴模型系统。九头蛇具有简单的微生物组、透明的身体和快速的生命周期，其特定细胞类型表达的抗菌神经肽动态控制微生物定植，且其核心共生菌Curvibacter sp.调控宿主Wnt信号通路。地衣由真菌宿主（mycobiont）和藻类或蓝细菌（photobiont）等组成，其环境韧性和丰富的次级代谢产物使其有潜力成为生物生产平台或生物传感器。

从头设计共生体的六大原则

构建全新的、简化的共生体系统（即从头设计共生体）有助于揭示多物种伙伴关系的因果机制。其设计蓝图应遵循六大原则：

1. 1.
   可工程化的宿主多细胞性：宿主应具备多细胞能力或可被工程化为多细胞，以提供物理支架。
2. 2.
   微生物组的时空控制：通过模式化的化学梯度或遗传电路实现对微生物定植和基因表达的精确时空调控。
3. 3.
   代谢交换或跨界通讯的界面：确保宿主与共生体之间的互惠共生，例如通过表面展示或营养缺陷互补。
4. 4.
   共生体获取机制：设计垂直（亲代传递给子代）或水平（从环境中招募）的共生体传递方式。
5. 5.
   合成宿主“免疫”系统：工程化系统以区分有益共生体和非期望的微生物竞争者。
6. 6.
   构建涌现特性：目标是实现共生体具备任何单独伙伴都无法完成的功能，例如占据新生态位或生产目标产物。

结论与展望

将合成生物学整合到共生体研究中，标志着该领域从描述性观察向功能性工程的转变。尽管在工具开发和应用方面取得了显著进展，但主要挑战仍在于对非模式微生物的工程化。未来的工作需集中于创建可扩展的平台，用于培养和遗传操作这些目前难以处理的生物。同时，从头设计共生体领域的发展必须与负责任的研究和创新框架同步，确保在技术进步的同时解决伦理、生态和社会层面的问题。简化模型系统（如九头蛇和地衣）将成为实现这一目标的重要原型平台。