Cell合成生物学重大成果：让细菌变成像植物一样的自养生物

让实验室培养的细菌变成消耗二氧化碳来生长

　　

以色列的研究人员创造了一种全新的大肠杆菌菌株，这种菌株是以消耗二氧化碳作为碳源，而不是常规的有机化合物。这一合成生物学的壮举再一次展示了细菌新陈代谢的惊人可塑性，这一成果也为未来的碳中立生物生产（carbon-neutral bioproduction）提供了框架。

相关研究发现发表在11月27日的Cell杂志上。

“我们的主要目标是建立一个方便的科学平台，增强对二氧化碳的固定，帮助解决与可持续生产食品和燃料，以及二氧化碳排放引起的全球变暖有关的挑战，”文章作者，魏茨曼科学研究所系统生物学家Ron Milo说，“将生物技术的主要模型大肠杆菌的碳源从有机碳转化为二氧化碳是迈向建立这样一个平台的重要一步。”

自养生物和异养生物

现实世界上的生物可以分为两类：自养生物（有机碳转化为生物量）和异养生物（消耗有机化合物）。自养生物控制着地球上的生物量，并供应我们许多食物和燃料。更好地理解自养生长的原理和促进自养生长的方法对于实现可持续发展至关重要。

合成生物学的一个巨大挑战是在让异养模式生物变成合成自养。尽管人们对可再生能源存储和可持续食品生产产生了广泛兴趣，但是过去工业设计的异养模式生物都是使用CO2作为唯一碳源，而在异养模式生物中建立自催化CO2固定循环的尝试也总是失败。

大量的思考和精巧的设计

在这篇Cell论文中，研究人员利用新陈代谢重分配和实验室进化，将大肠杆菌转化为自养生物。大肠杆菌本身没有利用二氧化碳的分子机制，因此研究人员根据固碳假单胞菌细菌的基因序列，将具有固碳能力的基因加入了改造的大肠杆菌基因组，使之能产生用于碳固定和还原，以及从甲酸中收集能量的非天然酶。

但是，仅凭这些变化不足以让大肠杆菌变成自养，因为大肠杆菌的代谢适应了异养生长。为了克服这一挑战，研究人员将适应性实验室进化作为一种​​代谢优化工具。

研究小组关闭了参与异养代谢的三个酶基因，将工程改造细菌放入含有有限糖分xylose（一种有机碳的来源）的生长环境中，使它们饥饿，抑制异养途径。最初供应约300天的xylose可支持足够的细胞增殖以启动进化，这一点至关重要。

工程菌的生长环境还具有高浓度的二氧化碳（10%）和丰富的甲酸钠。甲酸钠是一种可以在产生能量的过程中提供必要的电子、但不会产生生物量、不支持异养途径、不能作为大肠杆菌碳源的含碳分子。

在这种环境中，与依赖xylose作为生长碳源的异养生物相比，能使用二氧化碳替代有限糖供应的细菌就更具有生长优势。大约200天后，这些基因工程改造细菌已能够完全依靠空气中的二氧化碳来产生生物物质，同时需要甲酸盐作为化学反应的必要成分。研究人员使用同位素标记证实了分离出的细菌是真正的自养细菌，即依靠二氧化碳，而不是xylose或任何其他有机化合物支持细胞生长。

“为了使实验室进化的通用方法成功，我们必须找到一种方法，将所需的细胞行为变化与适应性优势相结合，这很困难，需要大量的思考和精巧的设计，”Milo说。

通过对进化的自养细胞的基因组和质粒进行测序，研究人员发现在化学恒温器的进化过程中仅获得了11个突变。其中一组突变影响编码与碳固定循环相关的酶的基因，第二类是在以前的自适应实验室进化实验中通常观察到突变基因中发现的突变，这表明它们不一定对自养途径具有特异性。第三类是未知基因的突变。

作者表示：“这项研究首次描述了细菌生长方式的成功转化。教导肠道细菌做一些植物的技巧。当我们开始定向进化过程时，实际上并无把握。”

“这一壮举是概念证明的有力证据，为利用工程细菌将我们视为废物的产品转化为燃料，食品或其他感兴趣的化合物开辟了令人振奋的新前景。它还可以作为一个平台，有助于更好地理解和改善作为人类粮食生产基础的分子机器，从而在将来帮助提高农业产量。”

研究人员在细菌的生长室中使用了高水平的二氧化碳（10％）——但地球大气中的二氧化碳仅占0.04％。 “我们很想知道它们是否可以在大气的二氧化碳水平中生存，那意味着二氧化碳含量低得多（百万分之400）。” Milo说。

（生物通）

原文标题：

Conversion of Escherichia coli to Generate All Biomass Carbon from CO2