新型大肠杆菌菌株可以消耗二氧化碳生长

　　 近日，据《Cell》杂志上的一项研究报道，以色列的研究人员创造出了一种新型大肠杆菌菌株，该菌株消耗二氧化碳作为能源，而不是有机化合物。这一成就凸显了细菌新陈代谢的惊人可塑性，并为未来的碳中和生物生产提供框架。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.11.009

　　自养生物与异养生物

　　生物分为自养生物（将有机碳转化为生物质）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，供应食物和燃料，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的道路至关重要。

　　合成生物学的一个巨大挑战是使异养模式生物变为合成自养。尽管人们对可再生能源存储和更可持续的食品生产具有广泛兴趣，但是过去设计工业相关异养模式生物将二氧化碳作为唯一碳源的努力一直失败，先前在异养模式生物中建立自催化二氧化碳固定循环的尝试总是要求添加多碳有机化合物才能实现稳定的生长。

　　“改造”大肠杆菌

　　在这项研究中，研究人员的主要目标是建立一个方便的科学平台，以增强对二氧化碳的固定，这可以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等有关问题。大肠杆菌作为生物技术的主要力量，将其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。

　　因此，研究人员利用新陈代谢的重新布线和实验室进化将大肠杆菌转化为自养生物。工程菌株从可再生资源电化学产生的甲酸盐中收集能量，因为甲酸盐是一种有机一碳化合物，不能作为大肠杆菌的碳源，所以不支持异养途径。研究人员还对该菌株进行了工程改造，以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支持自养，因为大肠杆菌的代谢适应了异养生长。

　　为了克服这一难题，研究人员将适应性实验室进化作为一种代谢优化工具。通过将参与异养生长的中央酶失活，使细菌更依赖自养途径生长，还利用有限数量的木糖（有机碳的来源）在包含大量甲酸盐和10％二氧化碳的化学恒温器中培养细胞，以抑制异养途径。最初供应约300天的木糖可足够支持细胞增殖以启动进化。

工程合成的化学自养型大肠杆菌的示意图

　　在这种环境中，与依赖木糖作为生长碳源的异养生物相比，自养生物具有很大的选择性优势，它们将二氧化碳作为唯一碳源生产生物质，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。

使用13C的同位素标记实验表明，所有生物质组分均由二氧化碳作为唯一碳源产生

　　为了使实验室进化的通用方法成功，研究人员必须将所需的细胞行为变化与适应性优势相结合。通过对进化的自养细胞的基因组和质粒进行测序发现，在进化过程中仅获得了11个突变：一类突变是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的基因中发现的突变，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。 这项研究首次描述了细菌生长方式的成功转化，使得肠道细菌以类似植物的方式生存。令人惊讶的是，进行这种转变所需基因改变的数量相对较小。

　　未来的工作

　　文章作者表示，研究局限性主要是细菌对甲酸酯的消耗要比碳固定所释放的更多。另外，在讨论工业用方法的可扩展性之前，需要进行更多的研究。在未来的工作中，研究人员将致力于通过可再生电力供应能源，以解决二氧化碳释放的问题，确定周围大气条件是否可以支持自养，并尝试缩小与自养生长最相关的突变。

　　这一壮举为利用工程细菌将我们视为废物的产品转化为燃料、食品或其他化合物开辟了新前景，它还可以作为一个平台，以更好地理解和改善作为人类粮食生产基础的分子机器，从而帮助提高农业产量。