基因改造过的大肠杆菌可通过摄入空气中的二氧化碳生长
在一项新的研究中，来自以色列魏茨曼科学研究所的研究人员对大肠杆菌进行基因改造，使得它们通过吸收二氧化碳就可以生长。相关研究结果近期发表在Cell期刊上，论文标题为“Conversion of Escherichia coli to Generate All Biomass Carbon from CO2”。
图片来自Cell, 2019, doi:10.1016/j.cell.2019.11.009。
大肠杆菌通常是异养生物（heterotroph），即摄入葡萄糖等有机化合物作为食物的有机物，但是这项新的研究表明它们可以转化为自养生物（autotroph），从大气中吸收二氧化碳并将它转化为生物量（biomass）。
美国加州大学伯克利分校生物化学家Dave Savage（未参与这项新的研究）说，“我发现一种经过数十亿年进化进行异养生活的有机体能够如此快速地和彻底地转变成自养生物，这实在是太神奇了。这表明代谢极具可塑性。”
论文通讯作者、魏茨曼科学研究所系统生物学家Ron Milo说，这种利用无机碳制造生物量的过程称为碳固定，可用来解决当今人类面临的一些最大挑战”。比如，增加植物中的碳固定可产生更多的生物量，这可能增加世界的食物供应。
Milo说，他的研究团队着手让大肠杆菌---“一种极具遗传可塑性的模式生物”---固定碳，作为迈向可持续工业过程（制造生物燃料）的一步。
大肠杆菌通常没有利用二氧化碳的分子机制，因此这些研究人员根据能够固定碳的假单孢菌的基因序列，给它导入具有固碳能力的基因。这些变化还不足以迫使大肠杆菌转变为自养菌，因此他们还让这种细菌中参与异养代谢的三个基因失去功能，并且将它们放入具有有限糖含量的生长室中，这会让它们挨饿。在这种环境下，使用二氧化碳而不是有限的糖供应的大肠杆菌具有优势。这些研究人员想知道大肠杆菌是否可以经进化后仅使用二氧化碳。
这些经过基因改造的大肠杆菌是在甲酸钠的基础上生长的。甲酸钠是一种碳分子，在产生能量的过程中会提供必要的电子，但对生物量没有贡献。生长室中的空气也富含二氧化碳。
大约200天后，这些经过基因改造的大肠杆菌完全依靠空气中的二氧化碳来产生生物量，同时将甲酸盐作为化学反应的必要成分。当这些研究人员分析大肠杆菌基因组时，他们发现这些细菌经过最少11个突变后进化为仅摄入二氧化碳的自养菌。其中的一些突变发生在与碳固定相关的基因中，而其他的突变发生在已知在其他实验室进化实验中发生突变或者在利用二氧化碳产生生物量中没有起已知作用的基因中。
德国马克斯普朗克陆地微生物学研究所合成生物学家Tobias Erb针对这项新的研究发表了一篇评论类型的文章。他说，“这是这个领域的概念验证，你能够真正地从头重塑活有机体的代谢特征。这是向前迈出的令人振奋的一步。”但是，他说，“如果他们构建出的菌株在未来具有生物技术意义. . . 我认为这还有待商榷。”
比如，自养型大肠杆菌目前产生的副产物二氧化碳比它们吸收的要多。这可以通过在未来利用二氧化碳产生甲酸盐来加以解决，这样就不会产生二氧化碳净排放。
此外，这些研究人员在大肠杆菌的生长室中使用了高水平的二氧化碳---大约占生长室空气的10％，但是二氧化碳仅占地球大气的0.04％。Milo说，“我们很想知道我们是否可以将它减少到环境大气中的二氧化碳水平，这意味着人们可以使用二氧化碳含量低得多（400ppm）的环境大气。”
在英国帝国理工学院开展微生物代谢工程学研究的Patrik Jones（未参与这项新的研究）说，“如今，这是一个有趣的概念。这绝对是朝这个方向迈出的一步。但是，我认为重要的是认识到要利用它，还需要开展更多的研究。”
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项目成果
