Microbial Biotechnology: 微生物学中的随机性

Link: https://sfamjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/1751-7915.13575

First published:20 April 2020

Journal:Microbial Biotechnology

IF: 4.857

周集中老师2017年在Microbiology and Molecular Biology Reviews发表过随机性的权威综述，目前该文章在其他公众号已有全文翻译，参见：

经典高分综述：随机过程在微生物群落构建中的作用

因此关于随机性和确定性的各种基本概念，在此综述中不再赘述。不了解基本概念的可以先看综述。

此综述我只挑我认为有用的内容介绍。该综述强调了随机性对单一培养和微生物工程的影响。

工程微生物过程中的关键问题，尤其是在食品和饮用水的生境中，是监测和控制随机性，以获得高质量和安全的最终产品。

细胞水平的随机性: 在单一(纯)培养中的漂变

一些工业过程如生产氨基酸、有机酸、抗生素和酶和微生物学研究使用无菌环境，在封闭和均匀的环境中培养。这样的单品系培养不受种间相互作用和迁入的影响，但是这并不能消除随机性，因为其他多个随机过程也会影响微生物群落。我把原文总结为四个原因：

a.基因表达的随机性或噪声是同一品系内物种表型变异背后的驱动力。

b.细菌种群可以利用随机表型转换来响应随机的、不频繁的环境变化。

c.许多细菌种类可以利用其不同的代谢能力来应对环境变化。

d.遗传漂变可以促进低波动环境中种群的基因组减少。

微生物群落水平随机性

自然本质上是随机的。灵活性是微生物种群的一个关键特征。

任何微生物群落的动态，反映在连续的变化上(遗传和表型)，是由一系列广泛的决定性因素，即物种之间的成对相互作用导致的。这种相互作用包括互作；协同作用；捕食和空间和物质的竞争。

微生物可以通过产生各种代谢物、形成絮凝体和生物膜以及活性物质的沉淀或溶解来改变其环境。环境条件，如pH值、温度和底物的有效性，反过来会影响微生物的生存和生长速度。

这些多重的相互作用和外部影响通常不会破坏微生物群落的稳定性，因为在一个开放系统中，由于外来物种的频繁涌入，会从大量的冗余微生物中选择物种，从而不断追求最佳的群落整体功能。

这种不断的选择与多样的微生物群落相结合，使得作为复杂群落的微生物集合体在经历演替和进化的过程中，能够承受大水平的随机性，并仍然能够实现持续的高水平性能。

随机的移民在开放生态系统中是一个关键的过程，可以通过生态位和适应度驱动的选择改变群落聚集，导致入侵，随机灭绝，遗传漂变和物种形成。

扩散限制可以进一步增加群落的随机性，降低环境(确定性)变量的影响。

随机性对封闭的单一培养和开放的微生物群落有不同的影响。开放群落由于有微生物的迁入迁出导致随机作用的变化。

随机性的意义:好处与挑战

随机性固有的不可控性和有限的可预测性是工程系统中微生物群落的优点也是缺点。

随机性的挑战

随机度的有限可预测性可以在基因组、表型和生态系统层面带来影响，并可能导致工程生态系统的最佳过程性能出现不可预见的偏差。这就需要采取预防措施来限制随机性的影响或采取必要的预防措施来引导随机性走向有益的结果。

对于实验室中的单一培养，在基因组水平上，漂变会导致基因贫乏，会降低代谢潜力。在真核生物水平上出现了遗传缺陷，且不能通过跨实验室的不同菌株恢复。通过(i)限制实验室世代的数量和/或(ii)在实验室中保持相对较大的种群大小(>100)，可以防止实验室细菌培养中的遗传漂变。

我之前也做过纯培养，对于纯培养来说不断的传代（十几代或几十代），微生物出现性状的变化或者功能的退化是很常见的现象。

由于移民和入侵，开放系统容易产生随机性。

依赖于微生物群落的开放生态系统，如活性污泥、厌氧消化、堆肥和(人类的)消化道对不同的随机过程是开放的。在这种背景下有两个特征，即(i)外物进入微生物生态系统和(ii)局内人向外界的出口。这样一个开放系统的潜在负面影响是双重的。

有害微生物的侵入可能会影响工艺性能或危害安全。入侵可以被定义为建立一个微生物群落中的移民物种。而迁入定义为微生物群落中物种的纯粹流入，但不一定是建立。因此入侵可以被认为是移民的后果。三个关键因素决定了潜在的入侵程度。

首先，引起微生物群落压力的环境变量的存在或不存在，强烈地决定了群落对入侵的敏感性。在应激条件下，入侵物种可以维持过程性能，而在无应激条件下，过程性能会受到影响。

第二，总体生物多样性或均匀度也提高了压力下的过程性能，降低了入侵的风险和潜在影响。

第三，养分限制也会阻止潜在入侵者的生长。

因此，易受入侵过程干扰的系统是那些具有低多样性的未被占用的生态位和一定的营养有效性的系统。这表明暴露在开放环境下的灭菌系统是极其脆弱的，饮用水和基于复合培养的系统也容易受到外界的入侵和生长。

低营养阻止了入侵物种的生长，而高本地微生物多样性可导致内部稳态来消除潜在的入侵物种。低多样性高营养使得入侵成功。

随机性的好处

虽然单一培养、复合培养和混合培养(微生物组)工程过程具有随机性，但其主要优点也是双重的。

稳态(Homeostasis)是微生物群落及其环境之间相互作用的动态平衡的结果，这可以被认为是入侵预防的一个关键特征。

持续的入侵威胁使系统对可能影响过程性能的危险入侵/干扰保持警惕，原因有以下两种机制。

第一，在一个系统中，经历一个恒定的随机水平，有更高的可能性使得所有的生态位被填满，因此可以避免物种的入侵。

第二，即使在高度稳定和受控的操作条件下，随机性也能保持一定程度的过程动力，从而提高过程对外界干扰。

因此，除了微生物群与其环境之间的确定性相互作用外，随机性可以被认为是内环境稳定的一个潜在的因素。

随机性的另一个关键优势在于它通过新物种的涌入和/或新生态位的创造来维持整体的功能表现，尽管这在很大程度上取决于生态系统的性质和空间尺度。

一般认为，较高的微生物多样性可以提高工程过程的稳定性和性能。通过更高的正面物种相互作用的概率，从而正面影响过程性能。

尽管如此，微生物生态学中多样性的益处并不是一个普遍真理，因为多样性评估可能高度依赖于方法和采样过程。过高的多样性甚至会增加拮抗作用。

这个观点我很赞同。一些文章已经指出了多样性高，功能不一定强。如我师姐的EST文章：

Zhaojing Zhang, Ye Deng*,Kai Feng, Weiwei Cai, Shuzhen Li, Huaqun Yin, Meiying Xu, Daliang Ning,Yuanyuan Qu*. Deterministic assembly and diversity gradient altered the biofilm community performances of bioreactors. Environmental Science & Technology,2019, 53(3): 1315-1324

随机特性对功能的影响不同于微生物群落对扰动的抗性(resistant)、恢复性(resilient)或冗余(redundant)。

随机性对功能性的关键贡献在于微生物群落冗余潜力的增加。

群落抗性(即在受到干扰时未改变的微生物群落)似乎与随机性无关。

群落恢复力(即一个变化的微生物群落恢复到它原来的组成)似乎更依赖于随机性，尽管只有在时间变化维持功能的情况下。

对于群落冗余(即扰动后永久改变的群落)而言，随机性是扰动后产生和维持过多新群落平衡组成的关键。冗余是微生物群落的关键。

一个典型的例子是厌氧消化，微生物群落作为随机性的必然结果不断进化，但它们仍然维持功能。恢复性和冗余都可以促进一个微生物群落的功能。

总的来说，通过保持微生物群落的活性(稳态)和准备好处理干扰的特性(冗余)，随机性似乎是维持过程性能的关键。微生物工程应该将随机性作为维持足够过程性能的自然机制。

如何处理随机性

需要(i)对随机度的精确监测和(ii)在考虑随机度的系统上设置边界。

监测随机性:一个技术挑战

为了监测随机性，需要检测单一和混合遗传性状和表型性状的变化。单培养表型变化可以通过流式细胞术或基质辅助激光解吸/电离飞行时间质谱分析(MALDI-TOF MS)检测。在基因水平及其表达方面，完整的基因组和质粒遗传密码的知识对于避免潜在的基因表达是至关重要的。

在微生物群落中，入侵是一个关键的随机过程。理想的情况下在生物技术应用中，微生物群落中应不存在病原微生物及其相关的毒力性状或耐药基因(ARGs)。然而，由于这些系统的开放性，潜在致病性物种的入侵是不可避免的，需要精确的监测。

第一个监测方法是“指纹”方法，评估微生物群落组成随时间的变化。技术包括16S rRNA基因扩增子测序或更简单/更古老的技术，如末端限制片段长度多态性(T-RFLP)，自动核糖体基因间隔分析(ARISA)或变性梯度凝胶电泳(DGGE)。

流式细胞术也可以在表型水平上进行指纹分析，MALDI-TOF MS可在代谢水平上进行指纹分析。

这些方法可以得到确定性过程对微生物群落动态的贡献。因此不能用确定性过程解释的群落动态变化可以归结为随机过程的影响。

此外，微生物群落动力学的基准数据对于区分具有可接受背景动力学的系统至关重要，如厌氧消化和活性污泥系统，以及不可控的随机性对确定性效应的支配。在厌氧消化和活化污泥的14天窗口期，传统的稳态微生物群落动态变化幅度在20%到30%之间。

然而背景变化的程度取决于多种因素，应该针对每个案例进行评估。例如与序批式反应器相比，膜生物反应器中氨氧化细菌群落的动力学是其两倍，均表现出功能稳定性，且在类似条件下也能正常工作。

总的来说，这些指纹技术的关键方面是其成本适中和快速的特性，以获得随机冲击状态的实时视图。

指纹识别方法的有效性关键在于对微生物群落初始状态的了解；和确定性过程对微生物群落的影响；和输入流(的变化)。

指纹技术的缺陷是未能检测出潜在的病原体的逐渐流入。因此在最低的、最精确的分类学水平上进行鉴定是鉴定潜在病原体也十分必要。16S rRNA基因扩增子测序在两个层面上存在不足。(i)系统发育鉴定的有限深度和(ii)无法准确识别罕见(致病)物种。因此就很有必要引入多种组学技术。

设定随机性的界限

使用微生物群系的工业实践通常允许“污染物”的存在比感兴趣的功能性物种低10,000倍。

由于微生物组的随机性，完全消除微生物组中的所有风险是不可能的。

可以通过基本的指纹方法对时间函数(如动力学)中的随机度进行初步筛选。选择合适的指纹识别方法取决于系统，因为DNA水平的扩增子测序可被认为适用于结果与人类消耗不直接相关的过程，如厌氧消化和活性污泥系统。

微生物群落中监测和控制随机度的不同步骤。实线表示实际的决策和行动，虚线表示信息流。

END

一个环境工程专业却做生信分析的深井冰博士，深受拖延症的困扰。想给自己一点压力，争取能够不定期分享学到的生信小技能，亦或看文献过程中的一些笔记与小收获，记录生活中的杂七杂八。

目前能力有限，尚不能创造知识，只是知识的搬运工。