研究方向
微生物的空间组装与功能涌现
揭示微生物在界面上的空间自组织规律及其生态功能的驱动机制
从噬菌体治疗到生态调控
探索噬菌体在致病菌抑制、抗性传播控制与群落稳态重塑中的作用机制
微生物群落的仿真模拟
基于计算机仿真构建“微生物元宇宙”，实现群落时空演化的预测分析
01
我们聚焦于附着于界面上的微生物空间自组织与功能涌现机制，重点关注微生物间相互作用（包括竞争、合作及信号交流）以及环境因素（如营养梯度、剪切力、表面性质等）如何共同塑造群落的空间结构与多样性维持。通过显微成像、时空动态追踪及高分辨率图像定量分析，我们系统揭示界面环境中微生物群落的空间组装规律及结构演化特征，从而深入理解其在稳态维持与生态功能表达中的关键驱动过程。该研究方向旨在阐明微生态系统中从个体行为到群落功能的空间耦合机制，不仅有助于解释自然界中生物膜及表面微生物群落的结构多样性和生态韧性，还为人工界面微生态的定向设计、膜污染的生态防控以及表面环境中抗性基因传播的管理提供新的理论框架与科学依据。
02
我们以噬菌体的生态角色与分子机制为核心研究对象，将传统的“噬菌体治疗”拓展至“噬菌体生态调控”的概念框架，重点关注噬菌体在多物种微生物群落中的生态位分布、宿主特异性及其系统性生态效应。研究目标不仅包括利用裂解性噬菌体抑制病原菌，还进一步探讨其在群落层面的调节能力与生态功能。通过构建携带特定功能模块的工程噬菌体（如抗菌肽、代谢效应子或基因调控元件），并结合群落尺度的综合测定（群落结构、生物膜力学特性、宿主–噬菌体互作网络）以及分子层面的精细解析（如转录组响应），我们旨在系统揭示噬菌体在病原防控、抗性基因传播抑制、生态稳态重塑以及环境生物防控中的多层次作用模式。这一研究方向特别强调从微生物生态学与分子生物学两条路径重新界定噬菌体的功能属性，将其从单一的“抗菌工具”提升为可编程的微生态调控因子。相关研究不仅为新型抗菌策略与环境友好型生物防控技术提供理论基础与工程思路，也为构建可持续的抗性治理体系开拓了新的研究路径。
03
我们以 individual-based model（个体基础模型，IBM）为核心方法，构建一个可扩展的“微生物元宇宙”，即在计算机中重建微生物群落时空演化的虚拟生态系统。在微观尺度上，IBM 能捕捉单个微生物的行为及其相互作用，包括竞争、合作、趋化与信号传递等；在宏观尺度上，则揭示这些局部规则如何汇聚形成群落的空间结构、动态稳态与功能涌现。引入“元宇宙”概念的目的，是构建一个多主体、可视化且可交互的仿真环境，使研究者能够“进入”微生物世界，实时观察群落动态、测试理论假设并预测系统响应。该研究方向为解析微生物群落的复杂行为提供了定量化和可预测的工具，也为实验研究提供了假设检验与参数优化的计算框架。从更长远的视角来看，微生物元宇宙的构建将成为连接理论、实验与工程的数字化桥梁，为抗性传播风险评估、噬菌体投放策略优化以及人工微生态系统设计提供新的理论支撑与技术平台。此外，这一方向未来还可扩展至微生物科普教学软件开发、交互式教育应用以及科研驱动的游戏化创新等更广泛而富有想象力的领域。