人造“戰士”——大腸桿菌攝入二氧化碳進行生長

　　在一項新的研究中，來自以色列魏茨曼科學研究所的研究人員對大腸桿菌進行基因改造，使得它們通過吸收二氧化碳就可以生長。相關研究結果近期發表在Cell期刊上，論文標題為“Conversion of Escherichia coli to Generate All Biomass Carbon from CO2”。

圖片來自Cell, 2019, doi:10.1016/j.cell.2019.11.009。

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

　　美國加州大學伯克利分校生物化學家Dave Savage（未參與這項新的研究）說，“我發現一種經過數十億年進化進行異養生活的有機體能夠如此快速地和徹底地轉變成自養生物，這實在是太神奇了。這表明代謝極具可塑性。”

　　論文通訊作者、魏茨曼科學研究所系統生物學家Ron Milo說，這種利用無機碳制造生物量的過程稱為碳固定，可用來解決當今人類面臨的一些最大挑戰”。比如，增加植物中的碳固定可產生更多的生物量，這可能增加世界的食物供應。

　　Milo說，他的研究團隊著手讓大腸桿菌---“一種極具遺傳可塑性的模式生物”---固定碳，作為邁向可持續工業過程（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制，因此這些研究人員根據能夠固定碳的假單孢菌的基因序列，給它導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變為自養菌，因此他們還讓這種細菌中參與異養代謝的三個基因失去功能，并且將它們放入具有有限糖含量的生長室中，這會讓它們挨餓。在這種環境下，使用二氧化碳而不是有限的糖供應的大腸桿菌具有優勢。這些研究人員想知道大腸桿菌是否可以經進化后僅使用二氧化碳。

　　這些經過基因改造的大腸桿菌是在甲酸鈉的基礎上生長的。甲酸鈉是一種碳分子，在產生能量的過程中會提供必要的電子，但對生物量沒有貢獻。生長室中的空氣也富含二氧化碳。

　　大約200天后，這些經過基因改造的大腸桿菌完全依靠空氣中的二氧化碳來產生生物量，同時將甲酸鹽作為化學反應的必要成分。當這些研究人員分析大腸桿菌基因組時，他們發現這些細菌經過最少11個突變后進化為僅攝入二氧化碳的自養菌。其中的一些突變發生在與碳固定相關的基因中，而其他的突變發生在已知在其他實驗室進化實驗中發生突變或者在利用二氧化碳產生生物量中沒有起已知作用的基因中。

　　德國馬克斯普朗克陸地微生物學研究所合成生物學家Tobias Erb針對這項新的研究發表了一篇評論類型的文章。他說，“這是這個領域的概念驗證，你能夠真正地從頭重塑活有機體的代謝特征。這是向前邁出的令人振奮的一步。”但是，他說，“如果他們構建出的菌株在未來具有生物技術意義. . . 我認為這還有待商榷。”

　　比如，自養型大腸桿菌目前產生的副產物二氧化碳比它們吸收的要多。這可以通過在未來利用二氧化碳產生甲酸鹽來加以解決，這樣就不會產生二氧化碳凈排放。

　　此外，這些研究人員在大腸桿菌的生長室中使用了高水平的二氧化碳---大約占生長室空氣的10％，但是二氧化碳僅占地球大氣的0.04％。Milo說，“我們很想知道我們是否可以將它減少到環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）的環境大氣。”

　　在英國帝國理工學院開展微生物代謝工程學研究的Patrik Jones（未參與這項新的研究）說，“如今，這是一個有趣的概念。這絕對是朝這個方向邁出的一步。但是，我認為重要的是認識到要利用它，還需要開展更多的研究。”