近日，據(jù)《Cell》雜志上的一項研究報道，以色列的研究人員創(chuàng)造出了一種新型大腸桿菌菌株，該菌株消耗二氧化碳作為能源，而不是有機化合物。這一成就凸顯了細菌新陳代謝的驚人可塑性，并為未來的碳中和生物生產(chǎn)提供框架。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.11.009

自養(yǎng)生物與異養(yǎng)生物

生物分為自養(yǎng)生物（將有機碳轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)）和異養(yǎng)生物（消耗有機化合物）。自養(yǎng)生物控制著地球上的生物量，供應(yīng)食物和燃料，更好地理解自養(yǎng)生長的原理和促進自養(yǎng)生長的方法對于實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的道路至關(guān)重要。

合成生物學(xué)的一個巨大挑戰(zhàn)是使異養(yǎng)模式生物變?yōu)楹铣勺责B(yǎng)。盡管人們對可再生能源存儲和更可持續(xù)的食品生產(chǎn)具有廣泛興趣，但是過去設(shè)計工業(yè)相關(guān)異養(yǎng)模式生物將二氧化碳作為唯一碳源的努力一直失敗，先前在異養(yǎng)模式生物中建立自催化二氧化碳固定循環(huán)的嘗試總是要求添加多碳有機化合物才能實現(xiàn)穩(wěn)定的生長。

“改造”大腸桿菌

在這項研究中，研究人員的主要目標是建立一個方便的科學(xué)平臺，以增強對二氧化碳的固定，這可以幫助解決與可持續(xù)生產(chǎn)食品和燃料以及二氧化碳排放引起的全球變暖等有關(guān)問題。大腸桿菌作為生物技術(shù)的主要力量，將其碳源從有機碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳是邁向建立這樣一個平臺的重要一步。

因此，研究人員利用新陳代謝的重新布線和實驗室進化將大腸桿菌轉(zhuǎn)化為自養(yǎng)生物。工程菌株從可再生資源電化學(xué)產(chǎn)生的甲酸鹽中收集能量，因為甲酸鹽是一種有機一碳化合物，不能作為大腸桿菌的碳源，所以不支持異養(yǎng)途徑。研究人員還對該菌株進行了工程改造，以產(chǎn)生用于碳固定和還原以及從甲酸中收集能量的非天然酶。但是，僅憑這些變化不足以支持自養(yǎng)，因為大腸桿菌的代謝適應(yīng)了異養(yǎng)生長。

為了克服這一難題，研究人員將適應(yīng)性實驗室進化作為一種代謝優(yōu)化工具。通過將參與異養(yǎng)生長的中央酶失活，使細菌更依賴自養(yǎng)途徑生長，還利用有限數(shù)量的木糖（有機碳的來源）在包含大量甲酸鹽和10％二氧化碳的化學(xué)恒溫器中培養(yǎng)細胞，以抑制異養(yǎng)途徑。最初供應(yīng)約300天的木糖可足夠支持細胞增殖以啟動進化。

工程合成的化學(xué)自養(yǎng)型大腸桿菌的示意圖

在這種環(huán)境中，與依賴木糖作為生長碳源的異養(yǎng)生物相比，自養(yǎng)生物具有很大的選擇性優(yōu)勢，它們將二氧化碳作為唯一碳源生產(chǎn)生物質(zhì)，研究人員使用同位素標記證實了分離出的細菌是真正的自養(yǎng)細菌。

使用13C的同位素標記實驗表明，所有生物質(zhì)組分均由二氧化碳作為唯一碳源產(chǎn)生

為了使實驗室進化的通用方法成功，研究人員必須將所需的細胞行為變化與適應(yīng)性優(yōu)勢相結(jié)合。通過對進化的自養(yǎng)細胞的基因組和質(zhì)粒進行測序發(fā)現(xiàn)，在進化過程中僅獲得了11個突變：一類突變是影響編碼與碳固定循環(huán)相關(guān)的酶的基因；第二類是在以前的自適應(yīng)實驗室進化實驗中通常觀察到突變的基因中發(fā)現(xiàn)的突變，這表明它們不一定對自養(yǎng)途徑具有特異性；第三類是未知基因的突變。

這項研究首次描述了細菌生長方式的成功轉(zhuǎn)化，使得腸道細菌以類似植物的方式生存。令人驚訝的是，進行這種轉(zhuǎn)變所需基因改變的數(shù)量相對較小。

未來的工作

文章作者表示，研究局限性主要是細菌對甲酸酯的消耗要比碳固定所釋放的更多。另外，在討論工業(yè)用方法的可擴展性之前，需要進行更多的研究。在未來的工作中，研究人員將致力于通過可再生電力供應(yīng)能源，以解決二氧化碳釋放的問題，確定周圍大氣條件是否可以支持自養(yǎng)，并嘗試縮小與自養(yǎng)生長最相關(guān)的突變。

這一壯舉為利用工程細菌將我們視為廢物的產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為燃料、食品或其他化合物開辟了新前景，它還可以作為一個平臺，以更好地理解和改善作為人類糧食生產(chǎn)基礎(chǔ)的分子機器，從而幫助提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量。

參考資料：

[1] Laboratory-evolved bacteria switch toconsuming carbon dioxide for growth

[2] Conversion of Escherichia coli toGenerate All Biomass Carbon from CO2