深圳子科生物報(bào)道：

以色列的研究人員創(chuàng)造了一種全新的大腸桿菌菌株，這種菌株是以消耗二氧化碳作為能源，而不是常規(guī)的有機(jī)化合物。這一合成生物學(xué)的壯舉再一次展示了細(xì)菌新陳代謝的驚人可塑性，這一成果也為未來(lái)的碳中立生物生產(chǎn)（carbon-neutral bioproduction）提供了框架。

相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)發(fā)表在11月27日的Cell雜志上。

“我們的主要目標(biāo)是建立一個(gè)方便的科學(xué)平臺(tái)，增強(qiáng)對(duì)二氧化碳的固定，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變暖有關(guān)的挑戰(zhàn)，”文章作者，魏茨曼科學(xué)研究所系統(tǒng)生物學(xué)家Ron Milo說(shuō)，“將生物技術(shù)的主要模型大腸桿菌的碳源從有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳是邁向建立這樣一個(gè)平臺(tái)的重要一步。”

自養(yǎng)生物和異養(yǎng)生物

現(xiàn)實(shí)世界上的生物可以分為兩類：自養(yǎng)生物（有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為生物量）和異養(yǎng)生物（消耗有機(jī)化合物）。自養(yǎng)生物控制著地球上的生物量，并供應(yīng)我們?cè)S多食物和燃料。更好地理解自養(yǎng)生長(zhǎng)的原理和促進(jìn)自養(yǎng)生長(zhǎng)的方法對(duì)于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。

合成生物學(xué)的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)是在讓異養(yǎng)模式生物變成合成自養(yǎng)。盡管人們對(duì)可再生能源存儲(chǔ)和可持續(xù)食品生產(chǎn)產(chǎn)生了廣泛興趣，但是過(guò)去工業(yè)設(shè)計(jì)的異養(yǎng)模式生物都是使用CO2作為wei一碳源，而在異養(yǎng)模式生物中建立自催化CO2固定循環(huán)的嘗試也總是失敗。

大量的思考和精巧的設(shè)計(jì)

在這篇Cell論文中，研究人員利用新陳代謝重分配，和實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化將大腸桿菌轉(zhuǎn)化為自養(yǎng)生物。這種新的工程菌株從甲酸鹽中收集能量，甲酸鹽可通過(guò)可再生資源電化學(xué)產(chǎn)生。因?yàn)榧姿猁}是一種有機(jī)一碳化合物，不能用作大腸桿菌的碳源，所以它不支持異養(yǎng)途徑。研究人員還對(duì)該菌株進(jìn)行了工程改造，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?yàn)榇竽c桿菌的代謝適應(yīng)了異養(yǎng)生長(zhǎng)。

為了克服這一挑戰(zhàn)，研究人員將適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化作為一種??代謝優(yōu)化工具。他們讓參與異養(yǎng)生長(zhǎng)的中央酶失活，使細(xì)菌更依賴自養(yǎng)途徑生長(zhǎng)。他們還利用有限數(shù)量的xylose（一種有機(jī)碳的來(lái)源）在恒化器中生長(zhǎng)細(xì)胞，抑制異養(yǎng)途徑。初供應(yīng)約300天的xylose，支持足夠的細(xì)胞增殖以啟動(dòng)進(jìn)化至關(guān)重要。該化學(xué)恒溫器還包含大量的甲酸鹽和10％的CO2。

在這種環(huán)境中，與依賴xylose作為生長(zhǎng)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(shì)，這些自養(yǎng)生物由二氧化碳作為wei一碳源生產(chǎn)生物質(zhì)。研究人員使用同位素標(biāo)記證實(shí)了分離出的細(xì)菌是真正的自養(yǎng)細(xì)菌，即二氧化碳，而不是xylose或任何其他有機(jī)化合物支持細(xì)胞生長(zhǎng)。

“為了使實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化的通用方法成功，我們必須找到一種方法，將所需的細(xì)胞行為變化與適應(yīng)性優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，這很困難，需要大量的思考和精巧的設(shè)計(jì)，”Milo說(shuō)。

通過(guò)對(duì)進(jìn)化的自養(yǎng)細(xì)胞的基因組和質(zhì)粒進(jìn)行測(cè)序，研究人員發(fā)現(xiàn)在化學(xué)恒溫器的進(jìn)化過(guò)程中僅獲得了11個(gè)突變。其中一組突變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(shí)驗(yàn)室進(jìn)化實(shí)驗(yàn)中通常觀察到突變基因中發(fā)現(xiàn)的突變，這表明它們不一定對(duì)自養(yǎng)途徑具有特異性。第三類是未知基因的突變。

作者表示：“這項(xiàng)研究描述了細(xì)菌生長(zhǎng)方式的成功轉(zhuǎn)化。教導(dǎo)腸道細(xì)菌做一些植物的技巧。當(dāng)我們開(kāi)始定向進(jìn)化過(guò)程時(shí)，實(shí)際上并無(wú)把握。”

“這一壯舉是概念證明的有力證據(jù)，為利用工程細(xì)菌將我們視為廢物的產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為燃料，食品或其他感興趣的化合物開(kāi)辟了令人振奮的新前景。它還可以作為一個(gè)平臺(tái)，有助于更好地理解和改善作為人類糧食生產(chǎn)基礎(chǔ)的分子機(jī)器，從而在將來(lái)幫助提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量。”

原文標(biāo)題：

Conversion of Escherichia coli to Generate All Biomass Carbon from CO2