在一項(xiàng)新的研究中，來(lái)自以色列魏茨曼科學(xué)研究所的研究人員對(duì)大腸桿菌進(jìn)行基因改造，使得它們通過吸收二氧化碳就可以生長(zhǎng)。相關(guān)研究結(jié)果近期發(fā)表在Cell期刊上，論文標(biāo)題為“Conversion of Escherichia coli to Generate All Biomass Carbon from CO2”。

圖片來(lái)自Cell, 2019, doi:10.1016/j.cell.2019.11.009。

大腸桿菌通常是異養(yǎng)生物（heterotroph），即攝入葡萄糖等有機(jī)化合物作為食物的有機(jī)物，但是這項(xiàng)新的研究表明它們可以轉(zhuǎn)化為自養(yǎng)生物（autotroph），從大氣中吸收二氧化碳并將它轉(zhuǎn)化為生物量（biomass）。

美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校生物化學(xué)家Dave Savage（未參與這項(xiàng)新的研究）說(shuō)，“我發(fā)現(xiàn)一種經(jīng)過數(shù)十億年進(jìn)化進(jìn)行異養(yǎng)生活的有機(jī)體能夠如此快速地和徹底地轉(zhuǎn)變成自養(yǎng)生物，這實(shí)在是太神奇了。這表明代謝極具可塑性。”

論文通訊作者、魏茨曼科學(xué)研究所系統(tǒng)生物學(xué)家Ron Milo說(shuō)，這種利用無(wú)機(jī)碳制造生物量的過程稱為碳固定，可用來(lái)解決當(dāng)今人類面臨的一些最大挑戰(zhàn)”。比如，增加植物中的碳固定可產(chǎn)生更多的生物量，這可能增加世界的食物供應(yīng)。

Milo說(shuō)，他的研究團(tuán)隊(duì)著手讓大腸桿菌---“一種極具遺傳可塑性的模式生物”---固定碳，作為邁向可持續(xù)工業(yè)過程（制造生物燃料）的一步。

大腸桿菌通常沒有利用二氧化碳的分子機(jī)制，因此這些研究人員根據(jù)能夠固定碳的假單孢菌的基因序列，給它導(dǎo)入具有固碳能力的基因。這些變化還不足以迫使大腸桿菌轉(zhuǎn)變?yōu)樽责B(yǎng)菌，因此他們還讓這種細(xì)菌中參與異養(yǎng)代謝的三個(gè)基因失去功能，并且將它們放入具有有限糖含量的生長(zhǎng)室中，這會(huì)讓它們挨餓。在這種環(huán)境下，使用二氧化碳而不是有限的糖供應(yīng)的大腸桿菌具有優(yōu)勢(shì)。這些研究人員想知道大腸桿菌是否可以經(jīng)進(jìn)化后僅使用二氧化碳。

這些經(jīng)過基因改造的大腸桿菌是在甲酸鈉的基礎(chǔ)上生長(zhǎng)的。甲酸鈉是一種碳分子，在產(chǎn)生能量的過程中會(huì)提供必要的電子，但對(duì)生物量沒有貢獻(xiàn)。生長(zhǎng)室中的空氣也富含二氧化碳。

大約200天后，這些經(jīng)過基因改造的大腸桿菌完全依靠空氣中的二氧化碳來(lái)產(chǎn)生生物量，同時(shí)將甲酸鹽作為化學(xué)反應(yīng)的必要成分。當(dāng)這些研究人員分析大腸桿菌基因組時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)這些細(xì)菌經(jīng)過最少11個(gè)突變后進(jìn)化為僅攝入二氧化碳的自養(yǎng)菌。其中的一些突變發(fā)生在與碳固定相關(guān)的基因中，而其他的突變發(fā)生在已知在其他實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化實(shí)驗(yàn)中發(fā)生突變或者在利用二氧化碳產(chǎn)生生物量中沒有起已知作用的基因中。

德國(guó)馬克斯普朗克陸地微生物學(xué)研究所合成生物學(xué)家Tobias Erb針對(duì)這項(xiàng)新的研究發(fā)表了一篇評(píng)論類型的文章。他說(shuō)，“這是這個(gè)領(lǐng)域的概念驗(yàn)證，你能夠真正地從頭重塑活有機(jī)體的代謝特征。這是向前邁出的令人振奮的一步。”但是，他說(shuō)，“如果他們構(gòu)建出的菌株在未來(lái)具有生物技術(shù)意義. . . 我認(rèn)為這還有待商榷。”

比如，自養(yǎng)型大腸桿菌目前產(chǎn)生的副產(chǎn)物二氧化碳比它們吸收的要多。這可以通過在未來(lái)利用二氧化碳產(chǎn)生甲酸鹽來(lái)加以解決，這樣就不會(huì)產(chǎn)生二氧化碳凈排放。

此外，這些研究人員在大腸桿菌的生長(zhǎng)室中使用了高水平的二氧化碳---大約占生長(zhǎng)室空氣的10％，但是二氧化碳僅占地球大氣的0.04％。Milo說(shuō)，“我們很想知道我們是否可以將它減少到環(huán)境大氣中的二氧化碳水平，這意味著人們可以使用二氧化碳含量低得多（400ppm）的環(huán)境大氣。”

在英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院開展微生物代謝工程學(xué)研究的Patrik Jones（未參與這項(xiàng)新的研究）說(shuō)，“如今，這是一個(gè)有趣的概念。這絕對(duì)是朝這個(gè)方向邁出的一步。但是，我認(rèn)為重要的是認(rèn)識(shí)到要利用它，還需要開展更多的研究。”

參考文獻(xiàn)：1.Shmuel Gleizer et al. Conversion of Escherichia coli to Generate All Biomass Carbon from CO2. Cell, 2019, doi:10.1016/j.cell.2019.11.009.

2.Tobias J. Erb et al. Escherichia coli in Auto(trophic) Mode. Cell, 2019, doi:10.1016/j.cell.2019.11.040.

3.Lab-Evolved E. coli Consume Carbon Dioxidehttps://www.the-scientist.com/news-opinion/lab-evolved-e--coli-makes-energy-solely-from-carbon-dioxide-66788

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