Trends期刊综述精选丨迈向可持续未来的微生物研究
Trends期刊综述精选丨迈向可持续未来的微生物研究
在迈向可持续未来的道路上，微生物发挥着至关重要的作用。从固氮到塑料降解，这些微小的生命体在实现联合国可持续发展目标方面展现出巨大潜力。本文精选自Trends期刊的综述文章，聚焦微生物在生态系统恢复、农业生产、生物降解等领域的最新研究进展。
微生物与可持续发展
在人们的认知中，“微生物”一词常常与病原体联系在一起。然而，我们周围的许多微生物是非致病性的，并且对生命极其重要。从固氮到塑料降解，这些活动中都有微生物的身影，因而微生物在迈向可持续未来的道路上发挥着毋庸置疑的作用。具体来说，微生物与联合国的可持续发展目标（SDGs）有直接联系，包括清洁水和卫生设施、良好的健康和卫生状况以及负担得起的清洁能源等。
本Trends期刊合集的一系列文章展示了微生物对实现可持续发展世界的潜力，包括生态系统恢复、动物基因改良、聚酰胺降解以及利用捕食性细菌作为生物控制剂等。在农业生产方面，本合集中的文章还主张加强对土壤微生物-植物健康以及土壤微生物-土壤健康关系的了解与整合，以实现可持续的农业生态系统。此外，还重点介绍了在细胞培养肉产业中使用益生菌、利用微藻可持续地生产类胡萝卜素和萜类化合物、通过微生物代谢工程可持续地生产着色剂、以及将抗蠕虫抗药性诊断纳入可持续畜牧业等方面的应用。最后，本合集深入探讨了保护生物多样性并防止其衰退对于实现可持续未来的重要性。通过这期合集，希望能够引起对微生物的更多关注，促进对微生物应用的进一步研究，更好地迈向可持续发展的未来。本合辑编者为Shankar Iyer（Trends in Microbiology主编）和孔鹏飞（Trends in Parasitology主编）。
环境条件改变时，植物水杨酸激素途径的分子调控
水杨酸（salicylic acid，SA）是一种重要的植物激素，可以调节植物的生长、发育和免疫。最新研究表明，水杨酸途径对气候因素和植物微生物组的变化很敏感。来自加拿大劳瑞尔大学的Christian Danve M. Castroverde及同事于Trends in Biochemical Sciences发表综述文章，总结了通过改变非生物/生物环境来调节水杨酸的生物合成、信号传导与代谢的组织原则和主题，重点关注管理水杨酸途径的脆弱性或复原力的分子节点。作者特别指出了水杨酸介导免疫背后的热敏机制，包括关键转录因子（如CAMTAs、CBP60g、SARD1、bHLH059）的差异调控、水杨酸受体NPR1的选择性蛋白-蛋白相互作用、以及最近发现的GBPL3生物分子凝聚物的动态相分离。这些分子节点共同构成了外部环境如何影响水杨酸途径的生化范式。
益生菌与细胞培养肉：可以改善培养肉的菌基骨架和产品
传统畜牧业的生产需要付出高昂的生态代价，包括土地和水的过度使用和大量碳排放。为寻求传统畜牧业的替代品，细胞培养肉（cultivated meat）应运而生。在细胞培养肉的生产过程中，哺乳动物的细胞可以通过自我更新/增殖而大幅增加数量，并通过成熟/分化而转化为成熟细胞，如肌肉细胞或脂肪细胞。来自以色列莱希曼大学的Ilana Kolodkin-Gal、耶路撒冷希伯来大学的Orit Dash及动物科学研究所的Roni Rak于Trends in Biotechnology发表观点文章，探讨了益生菌在培养肉产业的应用前景，包括利用益生菌生产可再生的抗菌剂和支架材料。作者还提出了应用益生菌可能面临的挑战以及解决方案，包括细菌与哺乳动物细胞的生长、益生菌对成本的影响以及细菌及其产物对培养肉的质地和味道的影响。作者提出，对相关研究的总结为在培养肉产业中应用细菌符合材料提供了有潜力的框架。
微藻作为可持续细胞工厂的分子设计
微藻被认为是生物技术研究中可持续的强大底架，其高效进行光合作用的能力使其能够不依赖有机碳源而进行动态生长，并且能将大气二氧化碳直接转化为各种有价值的羟基代谢物。然而，由于表达调控方面的基因工具和见解发展不足，调控微藻的基因表达与代谢的方法逊于更成熟的异养生物（如原核生物或酵母）。不过近年来，用于基因改造微藻的工具与策略在种类和效率上都有显著改善。来自德国比勒菲尔德大学的Alexander Einhaus、Thomas Baier和Olaf Kruse于Trends in Biotechnology发表综述文章，总结了微藻生物技术在近年来的重要突破，以各种实例说明了微藻生物技术的新趋势，以及微藻在向可持续生物经济转型方面的潜力 。
利用微生物开拓环境生物光电化学领域
微生物的生物光电化学（biophotoelectrochemistry，BPEC）系统是可持续环境策略的一项重大进步。来自福建农林大学的周顺桂教授、陈曼副教授团队以及武夷学院的黄绍福于Trends in Biotechnology发表综述文章，总结了从传统生物能源系统向复杂的BPEC应用的转变，尤其是BPEC在利用太阳能进行基本生化转换方面的效能和应用。BPEC技术的最新进展促进了光电子转移系统稳定性的提高，继而在碳和氮的固定、污染物降解以及从废水中回收能源等方面取得了显著进展。作者讨论了系统设计与合成生物学领域的进步拓展了BPEC在环境清洁和可持续能源生产方面的潜力。最后，作者还强调了环境BPEC系统面临的挑战，包括性能改进和未来应用等。
使用代谢工程微生物生产天然着色剂
与天然着色剂相比，合成着色剂的颜色相对更稳定、生产规模更大且制造成本更低，因此在市场上一直占据主导地位。然而，过量使用合成着色剂会对环境和健康造成各种影响，因而人们对天然着色剂的需求日益增加。微生物代谢工程的最新研究进展使得越来越多的天然着色剂能够以更加环保、更可持续的方式大规模生产。来自韩国科学技术院的Sang Yup Lee及同事于Trends in Chemistry发表综述文章，总结了使用微生物生产天然着色剂及其衍生物的代谢工程工具和策略，着重讨论了提高天然着色剂产量以及改善天然着色剂理化特性的方法，并探讨了天然着色剂生产的未来前景与挑战。
用于二氧化碳升级再循环的电气化生物合成
二氧化碳经过升级再循环可以转化为有价值的长链化学品，电化学与微生物过程的结合为二氧化碳的再循环提供了一种以可再生能源为能量来源的可持续策略。来自电子科技大学的郑婷婷教授和夏川教授于Trends in Chemistry发表短评文章，介绍了电生化系统设计方面的主要进展和新兴战略，并讨论了其实现电驱动制造业的前景。
生物基聚酰胺生产的最新进展
聚酰胺也称尼龙，是一种重要的工业聚合物，其特点是具有重复的酰胺键。随着气候变化问题愈加紧迫，那些为向碳中和化工行业转型奠定基础的技术越来越得到人们的关注。来自韩国科学技术院的Sang Yup Lee及同事于Trends in Chemistry发表综述文章，总结了使用代谢工程微生物生产生物基聚酰胺单体的最新进展，并回顾了使用这类单体合成聚酰胺的研究。另外，文章还讨论了使用天然油化学转化获得的单体合成生物基聚酰胺的途径。最后，作者介绍了聚酰胺的生物降解和回收利用的现状以及相关研究，分析了生物基聚酰胺未来在绿色化学工业和可持续社会中可能发挥的作用。
农业生态系统中土壤微生物功能与土壤健康的权衡
在农业生态系统中，土壤微生物群落发挥着维持土壤健康的关键作用。然而，对于如何在农业生态系统中发挥微生物的多种功能，目前仍知之甚少。这一领域的知识空白可能会使我们在权衡土壤功能时面临意想不到的风险。来自荷兰莱顿大学的Chenguang Gao及同事于Trends in Ecology and Evolution发表综述文章，阐明了土壤微生物之间的相互作用如何导致农业土壤功能之间的权衡。土壤微生物群落的相互作用不仅会带来土壤功能之间的正向关系，也会导致土壤功能之间的中性和负向关系。改善土壤健康的农业管理来改变土壤条件，可以通过促进土壤微生物的多样性和相互关系来缓解这些功能权衡，从而有助于实现更高产、更可持续的农业生态系统。
亚马逊雨林土壤微生物受到威胁
亚马逊地区的土壤微生物是敏感的土地使用与气候变化指示器，能揭示温室气体（greenhouse gas，GHG）的产生等重要过程。但在对雨林的保护和管理中，扮演重要角色的土壤微生物常常被忽视。来自美国普林斯顿大学的Andressa M. Venturini及同事于Trends in Ecology and Evolution发表短评文章，讨论了当前研究的不足之处，并呼吁急需将土壤多样性与其他学科结合起来，同时扩大取样工作和目标微生物范围。
在生态系统恢复中，微生物组学的机遇和挑战
微生物组学（microbiomics）是描述微生物群落结构、功能和动态的科学，有望拓展当前对植物-土壤-微生物过程与相互作用网络的了解，并用于改善生态系统的恢复。然而，微生物组学可能被认为很复杂，并非所有人都能掌握的技术。在生态系统的恢复中，微生物组学可以发挥的作用可能是巨大的，但实际面临的挑战也是巨大的。来自澳大利亚弗林德斯大学的Jake M. Robinson及同事于Trends in Ecology and Evolution发表综述文章，总结了关于微生物组学应用于生态系统恢复的当前认识及未来前景。作者提出，将微生物组学应用于生态系统恢复必须要超越成分评估，整合入研究生态系统恢复复杂性的工具。宏组学工具的进展为协助修复干预带来了空前的可能性。另外，诸如微生物接种剂和生物引发剂等补充性非组学应用，可能通过加强植被群落的建立和健康来改善恢复目标。