代谢互作驱动微生物互养群落种群周期振荡的机制与抗作弊功能研究

本研究针对微生物互养系统能否产生自持振荡这一理论空白，通过构建大肠杆菌氨基酸营养缺陷型互养体系，发现低浓度氨基酸补给下稳定的种群周期振荡现象。结合动力学模型与实验验证，揭示资源交叉抑制（cross-inhibition）引发的弛豫振荡机制，并证明该振荡可通过时间性资源分离有效抵抗作弊者入侵，为合成生态系统的动态调控提供了新范式。

在生态系统中，种群周期振荡（如捕食者-猎物波动）是常见现象，近30%的自然种群存在此类动态。传统理论认为互惠共生（+/+）通常导致稳定平衡，而非振荡行为。尽管微生物互养（cross-feeding）可增强群落稳定性，但其能否驱动自持振荡仍缺乏实验证据。Tyler D. Ross团队通过精巧的合成生物学实验与数学模型，在《Nature Communications》发表了关于代谢互作驱动种群周期的突破性研究。

研究主要采用以下技术方法：1) 构建大肠杆菌K-12 BW25113酪氨酸（ΔtyrA）和苯丙氨酸（ΔpheA）营养缺陷型突变株，携带IPTG诱导荧光报告基因；2) 连续传代培养与显微镜细胞计数分析种群动态；3) 酶法定量胞外氨基酸和葡萄糖浓度；4) 建立非线性常微分方程模型并参数拟合；5) 化学恒化器模拟与分岔分析；6) 作弊株入侵实验验证生态稳定性。

微生物群落通过氨基酸交叉喂养呈现不同动态行为

通过工程化大肠杆菌氨基酸营养缺陷型对（ΔtyrA和ΔpheA），实现在无氨基酸补给的培养基中通过交叉喂养苯丙氨酸和酪氨酸维持生长。在低浓度氨基酸补给（10μM酪氨酸/20μM苯丙氨酸）条件下，群落呈现稳定的周期二振荡（period-two oscillations），而高浓度或零补给时趋于平衡态。该振荡现象对荧光蛋白标记互换具有鲁棒性，且存在于中等氨基酸补给浓度范围内。

酪氨酸和苯丙氨酸释放受氨基酸饥饿调控

代谢物动态监测发现：当营养缺陷型受所需氨基酸限制时（如ΔtyrA缺酪氨酸），会大量释放伙伴菌株所需氨基酸（苯丙氨酸）；而在葡萄糖限制或高氨基酸环境下几乎无释放。通过广义估计方程（GEE）验证，所需氨基酸缺失时伙伴氨基酸释放概率显著增高（ΔtyrA: p=1.7060e-111；ΔpheA: p=0.0013），表明存在交叉抑制（cross-inhibition）形成的正反馈环路。

动态模型重现系统行为并揭示振荡机制

构建包含菌株密度（N₁, N₂）、氨基酸（R₁, R₂）和葡萄糖（R₃）的五变量模型，采用米氏方程（Michaelis-Menten）描述生长速率，并通过质量守恒约束氨基酸释放条件。模型精准拟合不同氨基酸补给浓度下的动态行为（图1d），且预测结果与未参与拟合的单批次实验数据一致。化学恒化器模型证明振荡无需外部强制（如每日传代），而是内部产生的极限环振荡。

周期振荡源于快速资源动态与慢速种群变化的耦合

通过降维模型分析，揭示振荡属于弛豫振荡（relaxation oscillations）：快速资源动态存在两个替代稳态（alternative stable states），分别对应一方为氨基酸限制的生产者（producer），另一方为葡萄糖限制的消费者（consumer）。慢速菌株比例变化驱动资源稳态跃迁，形成跳跃式振荡。参数分析表明交叉抑制强度（q₁₁q₂₂）大于自阻尼强度（q₁₂q₂₁）是振荡的必要条件。

振荡通过时间性资源分离阻止作弊者入侵

引入双重营养缺陷型作弊株（消耗但不生产氨基酸）后，在稳定平衡群落中作弊株通过同时获取两种氨基酸导致群落崩溃。而在振荡群落中，酪氨酸和苯丙氨酸的时间分离（仅一种始终充足）使作弊株持续受氨基酸限制，其比生长速率始终低于稀释率，最终被排除。实验验证表明振荡群落能有效抵抗作弊者入侵（补充图11）。

该研究首次实验证明互养互惠可驱动自持种群振荡，揭示了资源交叉抑制反馈的核心作用。振荡通过时间性资源分区（temporal patterning）增强群落抗作弊能力，为合成生态系统设计提供了新原理。未来可基于参数q_iiq_jj>q_ijq_ji筛选振荡菌对，并拓展至多菌群体系。该机制在生物制造、活体疗法等领域具有应用潜力，有望实现动态可控的微生物分工策略。