近年来，随着微生物组学、计算生物学、合成生物学等研究的迅猛发展，人工构建高效稳定的人工菌群逐渐成为研究热点，从而衍生出新的研究领域，被称为合成微生物组。合成微生物组的研究，是通过对不同的微生物菌株进行整合，高效、稳定、安全地处理更复杂的任务，完成单一菌株无法完成的目标，从而满足更广泛的需要。
随着基因组学和系统生物学的兴起，科学家开始用严格的工程学对细胞的生物行为进行改造与控制，由此衍生出了新的研究领域—合成生物学。随着合成生物学的快速发展，越来越多的科学家不再局限于将多个基因模块进行组装从而实现特定的生物功能，转而开始对不同的微生物菌株进行整合，人工创建可以满足特定需求的稳定的微生物群落，这些群落被称为人工合成微生物组。人工合成微生物组的迅速发展，对于理解并操纵天然群落，揭示群落稳定互作的分子机制具有重要意义。同时，由于人工合成微生物组可以稳定地执行复杂的任务，该领域的研究也为合成生物学在工业和环境修复方面的应用开拓了新的方向。
合成微生物组通常有两种设计方式，分别是“自下而上”的方法和“自上而下”的方法。其中“自下而上”的方法是指通过理性设计，构建微生物之间的人工代谢网络来完成所需的任务；而“自上而下”的方法则是针对所需要执行的生物功能，通过调整筛选条件，获得符合要求的功能菌株。在确认了设计方式之后，即可按照上述策略，用改造或筛选得到的功能菌株构建出初始的合成微生物组。
自下而上”的方法需要明确微生物的代谢路径，对功能基因元件进行筛选和改造，并将其整合到合适的菌株中。菌株可从自然界筛选得到，也可通过对模式微生物进行改造从而得到满足特殊的功能需求的菌株。基因元件可以来自已报道的元件库，也可以自行筛选获取。针对合成微生物组所需要执行的特定生物功能，根据现有的微生物代谢库，查明其代谢通路，明确代谢通路中涉及的基因，在不同宿主中筛选相关的基因元件，整合到合适的底盘微生物中，使其具备相应的功能。
“自上而下”的方法相比于前一种方法会更加直接。针对所需要执行的生物功能，可以控制环境条件筛选获得不同的功能菌株，比较这些菌株的代谢能力，依据功能进行分类和组合，最终得到一个最小但能发挥较大作用的微生物组。
而在整个实验过程中，菌株的筛选、复制等一系列实验操作无疑是整个研究过程中难度最大的一环，对于数千个菌落使用传统的手动筛选方法，不仅不切实际效率低下，而且成本高昂。尽管自动化高通量菌落挑选系统具有巨大的优势，但是由于产品性能不同，处理量低或交叉污染等一系列问题，导致高通量自动化菌落系统的工作平台尚未得到广泛使用 。
对于合成微生物组的研究热点，英国SINGER公司创造性的推出了高通量自动化菌落平台—ROTOR和PIXL。它们在微生物菌群研究中发挥了重要的作用。
ROTOR是世界上速度最快、功能最强大的菌落自动化操作工作台，可在96、384、1536、6144密度下，对酵母、真菌、细菌及藻类的菌落进行高通量筛选与阵列重排；用ROTOR的6144密度的RePads针板，可在20秒内，将整个酵母缺失突变体库复制4次；可进行高通量酵母双杂交、遗传合成阵列（Synthetic Genetic Array）、表型或化学遗传分析。ROTOR的强大功能还包括高通量涂布，分离单菌落；成像与分析系统自动识别菌落特征，筛选菌落；单菌落挑取系统，高效挑菌，构建文库；通过杂交、抗性筛选、显色筛选、荧光筛选等手段，获得某种特殊功能的益生菌菌株。
PIXL 高精度挑选工作站是合成生物学研究不可或缺的利器！挑菌方便快捷，可连续挑三万个菌，无需灭菌。6通道光源：1通道白光和5通道荧光光源，适用于普通菌落和多种荧光菌落。软件灵活，适应多重实验需求。PIXL 高精度挑菌工作站还能与机械臂完美的结合，推动合成生物学实验全流程自动化。
合成微生物组目前已经广泛应用于微生物生产和微生物修复领域。在生产领域常见于生物能源、化工产品和药物的生产。其中，生物能源包括沼气、氢气等清洁能源，还可以利用合成微生物组直接进行生物发电；化工产品主要用来大量生产异丙醇、异丁醇等；在生物药物的合成领域，利用合成微生物组可以高效合成紫杉醇的前体物质氧化紫杉烷等高价值产品。合成微生物组正在成为微生物研究领域、合成生物学领域的一个新的研究热点，随着我们对各个微生物性质了解的深入，合成微生物组研究将会迎来更大的突破。
来源：合成生物学期刊—《人工合成微生物组的构建与应用》
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