Human gut microbe co-cultures have greater potential than monocultures for food waste remediation to commodity chemicals
- 作者
- Matthew A. Perisin, Christian J. Sund
- 杂志
- Scientific Reports（2018）
- DOI
- 10.1038/s41598-018-33733-z
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
评估人类肠道微生物共培养相对于单培养在将食物垃圾厌氧转化为商品化学品方面的潜力，并解析共培养中代谢互作的优势。
研究策略
利用773个肠道微生物基因组规模代谢模型（AGORA），结合通量平衡分析（FBA）和parsimonious FBA模拟所有两两组合共培养，比较单培养与共培养的生物质通量和商品化学品产量，通过生态互作分类、代谢物交换分析和网络中心性分析揭示共培养优势机制。
核心内容
本研究利用773个人类肠道微生物基因组规模代谢模型（AGORA），通过通量平衡分析和parsimonious FBA模拟了297,549个两两共培养组合，系统比较了单培养与共培养在食物垃圾厌氧转化中的潜力。结果显示，所有773个模型均存在至少一个使生物质通量增加≥10%的共培养组合，且共培养可产生大于加和的丁醇、甲烷、丙酸盐、氢气等商品化学品，以及TMAO和N2O等新兴代谢产物。过产共培养有12,125个组合，其中互养和共栖关系显著富集（p<2.2e-16），互养共培养交换的代谢物数量显著更多（ANOVA p<2.2e-16）。以C. beijerinckii为例，转移代谢物解释了48.04%的输出，代谢网络中心性指标（betweenness和degree）分别解释12.79%和12.18%的输出变异。研究表明，肠道微生物共培养通过跨喂代谢物和hub前体调控，在食物垃圾修复和化学品生产中优于单培养，为菌株筛选和合成菌群设计提供了计算框架。
创新点
大规模两两共培养模拟筛选（297,549个组合）；发现共培养产生大于加和的商品化学品通量和新兴代谢产物；将代谢网络中心性（degree/betweenness）与共培养代谢输出关联，揭示跨喂代谢物通过hub前体调控代谢。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 人类肠道微生物组（773种AGORA模型） | 厌氧发酵多种代谢通路 | — | — | 催化 | 模拟对象，覆盖773个肠道微生物基因组规模代谢模型 |
| Clostridium beijerinckii NCIMB 8052 | 丁醇/丁酸/氢气生产 | — | — | 催化 | 案例菌株，共培养可提高H2产量，网络中心性分析对象 |
| Enterococcus saccharolyticus DSM 8903 | 糖代谢 | — | — | 催化 | 拥有最多互养共培养组合 |
| Eubacterium desmolans ATCC 43058 | 短链脂肪酸代谢 | — | — | 催化 | 互养共培养组合数第二 |
关键发现
- 共培养生物质通量显著提高（所有773个模型均存在至少一个使生物质通量增加≥10%的共培养组合）
- 单培养生物质通量Pearson=0.98，共培养Pearson=0.83
- 过产共培养有12,125个组合，其中互养和共栖显著富集（mutualistic p<2.2e-16, commensal p<2.2e-16）
- 互养共培养交换代谢物数显著更多（ANOVA p<2.2e-16, F=810.9）
- C. beijerinckii案例中，输出与转移输入Mantel r=0.895, p=0.001
- 转移代谢物解释了48.04%的输出，betweenness解释12.79%，degree解释12.18%。共培养可产生大于加和的丁醇、甲烷、甲醛、丙酸盐、氢气、尿素，以及新兴代谢物TMAO和N2O。
研究结论
共培养比单培养具有更大潜力，通过互养和共栖交互可提高生物质及商品化学品产量，为利用肠道微生物修复食物垃圾并生产有用化学品提供了计算框架和菌株选择依据。