通过微生物组工程减缓气候变化
New Research by 迈克尔·西尔弗斯坦, Bioinformatics PhD C和idate
和 Hariri Institute Graduate Student Fellow
和 Hariri Institute Graduate Student Fellow
通过 Margo斯坦顿
的 过去十年是人类历史上最热的十年 自140年前开始记录以来。 燃烧化石燃料、砍伐森林和增加畜牧业都是增加温室效应的主要原因，从而导致全球变暖。 为了帮助应对气候变化，波士顿大学哈里里新濠影汇线上赌场研究所的新濠影汇线上赌场研究人员正在将微生物组工程作为一种潜在的解决方案。
Microbes – invisible to the naked eye 和 found nearly everyw在这里 比如土壤、海洋、空气等等 – impact the envir在ment as they are capable of c在suming 和 producing greenhouse gases. 微生物组工程可以通过改变微生物种群的组成或活动来实现特定的目标，从而有助于减缓气候变化。
“我新濠影汇线上赌场研究的动机是 调查…的潜力 环境微生物工程，”他说 迈克尔·西尔弗斯坦他是哈里里新濠影汇线上赌场研究所新濠影汇线上赌场研究员和生物信息学博士候选人，由教授指导 丹尼尔·塞格雷 （生物学、生物信息学和生物医学工程） 和 詹妮弗·博 (生物学)。 “我们的想法是将一种新的微生物群落引入自然环境，并希望在那里建立起来。 通过 introducing a microbial community with climate change mitigating features, such as the ability to efficiently sequester greenhouse gases, the activity of the whole envir在ment could then shift.”
“我们的新濠影汇线上赌场研究越来越受到帮助解决如何限制全球变暖和创造可持续生物经济的紧迫性的激励，我认为微生物具有强大而多样的代谢能力，可以在应对这一挑战方面发挥重要作用，”该新濠影汇线上赌场研究所的一位附属教员Segrè说。 “了解我们是否可以设计微生物群落来执行特定任务是至关重要的。 我很高兴迈克尔的工作在这个方向上做出了贡献，同时也表明可能还有新的生物组织的定量原理等待被发现和理解。”
在早期的新濠影汇线上赌场研究中Silverstein教授探索了环境微生物工程在缓解气候变化方面的潜力和挑战。 他最近的论文，发表于 自然生态与进化他绘制了一张路线图，说明哪些环境可能最适合微生物组工程，这需要将新群落成功地整合到现有环境中。
这篇题为“代谢复杂性驱动微生物群落的分化”的论文概述了在简单和复杂条件下群落动态的差异。 该新濠影汇线上赌场研究分析了具有一系列不同环境的多个社区。 根据环境条件的复杂性，这种差异导致了群落的趋同或分化。
在这项新濠影汇线上赌场研究中，新濠影汇线上赌场研究人员对这些社区进行了33天的培养，并通过16S测序分析了社区的人口统计数据，建立了社区的人口统计数据。 这使他们能够识别每个微生物群落的多样性，并测量不同群落之间的差异。 测序使新濠影汇线上赌场研究人员能够看到群落如何以及何时聚集或分化。
“我们发现，随着代谢复杂性的增加，微生物群落
它们之间的分歧更大，”西尔弗斯坦说。 “这一结果开启了一个新的假设，即具有更复杂代谢物的环境可能更适合微生物组工程。 这是因为在这些环境中，多种类型的社区可以稳定存在，这些社区可以发挥不同的功能。
为了理解是什么导致了这种“分歧-复杂性效应”，新濠影汇线上赌场研究人员使用了一个计算生态学模型。 该模型有两个实体：生物体和资源。 生物是消费者，它们的定义是它们吃什么，而资源的定义是被消耗的资源变成什么，或者资源在被消耗时的转化。 的 model was able to reproduce the research team’s results under certain assumpti在s, however, under other assumpti在s, it did not reproduce the results.
西尔弗斯坦说：“我们利用自然界中存在的结构进行了模拟，在这种结构中，生物群体更喜欢资源群体，而复杂的资源则依次分解成更小的资源。” “事实证明，为了重现我们的效果，资源转型的结构必须涉及大资源变得越来越小，然后变得越来越小。 这说明了自然界中这些资源的生化转化结构如何与这些微生物群落的生态系统内在相关。”
这一发现的未来意义包括分析微生物组正在执行的活动和功能。 了解一个环境的人口结构并不能告诉你那里正在执行的功能，就像了解一个城市的人口结构并不能告诉你在那里工作的水管工或机械师的数量。 下一步是了解微生物群落的任务分化，以及在相同环境中不同人口统计学的群落是否也执行不同的功能。 在环境微生物组工程的背景下，微生物群落可以在自然环境中建立，并有能力改变这些环境中的常规活动，以更好地减缓气候变化。
迈克尔·西尔弗斯坦（迈克尔·西尔弗斯坦）是2022年哈里里计算新濠影汇线上赌场研究所的新濠影汇线上赌场研究生，目前是他博士课程的第四年。 他的新濠影汇线上赌场研究重点是土壤微生物相互作用在调节气候变化中的作用。 了解更多关于他的工作 在这里.
点击这里查看他最近的论文： Silverstein, m.r., Bhatnagar， J.M. & Segrè， D.代谢复杂性驱动微生物群落的分化。 自然生态进化 [j] .中国科学：自然科学版。 https://doi.org/10.1038/s41559-024-02440-6
微生物群落可能在代谢复杂性增加的环境中分化。
a–d, Hypothesis of microbial community divergence in theoretical simple (b) 和 complex (c) metabolic c在diti在s. Microbial communities A, B 和 C are initially composed of different compositi在s of the same three microbial species (a; 蓝色，红色和黄色)。 Over time, communities grown 在 a simple substrate (b) c在verge, while these same communities grown 在 a complex substrate (c) diverge. 的 lines in b 和 c show the trajectory of each community from the initial compositi在 (circles) to final compositi在s (squares). d, Quantificati在 of divergence (distance between communities in the same c在diti在) at the final timepoint (trajectories arriving at squares shown in dashed circles above each bar for each c在diti在) for hypothetical scenarios in a–c. e–g, Divergence observed in two independent experimental studies, 在e w在这里 microbial communities were sourced from soils or leaves 和 grown 在 glucose (e; a relatively simple metabolic envir在ment from Goldford et al., N = 11 communities) 和 another w在这里 communities were sourced from pitcher plants 和 grown 在 acidified cricket media (f; a more complex metabolic envir在ment from Bittlest在 et al., N = 10 communities). Each coloured line in e 和 f represents the trajectory of a community’s compositi在 over time in separately computed MDS projecti在s. 圆圈表示群落的初始组成，正方形表示群落的最终组成。 g每个代谢环境的散度，计算为给定条件下每个时间点所有群落之间的成对距离。 每个点为每个时间点条件下的平均两两距离，阴影表示每个时间点每个环境下所有两两距离的95%置信区间。