著名經濟學家Adam Smith在經典著作《國富論》中指出，分工是提高勞動生產率和增加國民財富的主要途徑之一。同人類等其他高等生物群體一樣，微生物群落也是一個復雜的高度組織化的“社會”。微生物代謝驅動著全球生物地球化學循環。在微生物群落中，一條代謝途徑既可以由單一微生物種群來執行，也可以由不同種群間的分工合作來完成，即代謝分工（Metabolic Division Of Labor,MDOL，圖1）。自然界中如硝化、甲烷厭氧氧化及復雜有機物的降解等很多重要代謝過程都以代謝分工的形式完成。然而，我們對這種代謝行為如何塑造微生物群落、分工群落如何穩定存在知之甚少。如果微生物也有生產流水線，那么如何有序維持呢？工學院吳曉磊教授、聶勇助理研究員課題組通過一系列研究給出了答案：不患寡而患不均。

圖1：代謝分工群落的構建原理

2022年9月27日，Cell Reports雜志刊發了吳曉磊、聶勇課題組題為“Even allocation of benefits stabilizes microbial community engaged in metabolic division of labor”的研究論文。該論文構建了可用于精確預測代謝分工微生物群落組裝的理論框架，為利用代謝分工策略設計和調控人工微生物群落奠定了理論基礎。

吳曉磊、聶勇課題組以降解復雜有機物的代謝分工群落作為研究對象，已解析了底物特性調控代謝分工群落構建的規律（https://doi.org/10.1002/mlf2.12025），以及代謝分工群落的空間組裝特征（https://doi.org/10.1128/spectrum.01944-21）。在這些研究的基礎上，課題組基于描述代謝分工群落動態的數學模型，通過嚴謹的數學推導，建立了一個更精簡和全面的理論框架，用以預測該群落的穩定性與組裝特征。這個框架（如圖1）指出：為了維持代謝分工群落的穩定，負責線性代謝途徑中初始步驟的菌株應該比執行最后一步的菌株具有生長優勢（m），且優勢（m）必須大于最后一步菌株所獲得的“私有化利益”（n）。對于一個穩定的代謝分工群落，執行最后一步菌株的相對豐度等于n和m的商。研究進一步通過對模式微生物菌株的遺傳改造，人工構建了萘降解代謝分工群落。分析表明，代謝分工微生物群落的組裝可以由有限數量的參數決定。由數學模型推導得到的理論框架可以準確預測兩步和多步萘降解代謝分工合成菌群的的穩定性和組裝特征。這一定量預測規律的提出有助于我們理解自然微生物群落的構建原理，并為穩定微生物系統的設計構建與代謝途徑優化提供了新的見解。本論文一名匿名評審專家指出：“我相信這項工作為微生物組工程的代謝途徑優化研究作出了杰出貢獻。據我所知，這是第一次結合數學模型和實驗分析來研究微生物代謝分工，是理論與實驗驗證的完美結合。研究得到的數學原理是美妙的，并得到實驗數據的有力支持。”

本文第一作者是工學院2021屆博士王淼嘯（目前在瑞士蘇黎世聯邦理工學院從事博士后研究），吳曉磊、聶勇為本文共同通訊作者。工學院博士生陳曉麗、劉曉楠，參與了研究結果的分析。瑞士蘇黎世聯邦理工學院的Martin Ackermann教授對該研究提供了幫助。本論文在第二十三次全國環境微生物學術研討會上被評為“簡浩然環境微生物基金”優秀論文。該研究得到了國家重點研發計劃（2018YFA0902100）和基金委中-瑞國際合作與交流項目（32161133023）的資助。