比例式生长速率控制促进竞争性微生物群落的稳健共存

维持工程化微生物联合体中预设的组成颇具挑战性，因为细微的适合度差异可能导致竞争性排斥。我们研究了连续培养条件下的双菌株联合体，并开发了一种反馈架构，通过根据种群比例选择性地减缓生长较快的菌株来调控群落组成。在种群层面，我们推导出一种理想化的比例反馈控制律，其具有可调节的正共存平衡点。随后，我们利用正交群体感应、基于小RNA（sRNA）的比率控制器以及由ppGpp介导的生长执行器，提出了该控制架构的生物分子实现方案。利用种群缓慢增长与细胞内控制器快速动力学之间的时间尺度分离，我们采用奇异摄动理论证明：当控制器动力学足够快时，完整实现模型能够继承约化模型的共存平衡及其局部稳定性性质。数值模拟验证了这一约化过程，并展示了较弱的时间尺度分离或所假设分子状态的丧失将如何降低系统性能。

维持工程化微生物联合体的预设组成十分困难，因为微小的适应度差异就可能导致竞争性排斥。我们研究了连续培养条件下的双菌株联合体，并构建了一种反馈架构，通过根据种群比例选择性地减缓优势菌株的生长来调控群落组成。在种群层面，我们推导出一种理想化的比例反馈控制律，该控制律具有可调的正值共存平衡点。随后，我们提出了一种基于正交群体感应、基于小RNA（sRNA）的比率控制器以及由ppGpp介导的生长执行器的生物分子实现方案。利用种群缓慢增长与细胞内控制器快速动力学之间的时间尺度分离，我们采用奇异摄动理论证明：当控制器动力学足够快时，完整实现模型能够继承约化模型的共存平衡及其局部稳定性特征。数值模拟验证了这种约化方法，并表明，较弱的时间尺度分离或所假设分子状态的丧失会降低系统性能。

📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.08.28.747825v1?rss=1

🏷️ 工程化微生物群落 比例反馈控制 竞争性共存 群体感应 sRNA调控 奇异摄动理论