Cell让细菌变成自养生物靠耗费二氧化碳成长

原标题：Cell：让细菌变成自养生物！靠耗费二氧化碳成长

近来，据《Cell》杂志上的一项研讨报导，以色列的研讨人员发明出了一种新式大肠杆菌菌株，该菌株耗费二氧化碳作为动力，而不是有机化合物。这一成果凸显了细菌推陈出新的惊人可塑性，并为未来的碳中和生物出产供给结构。

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（耗费有机化合物）。自养生物操控着地球上的生物量，供给食物和燃料，更好地了解自养成长的原理和促进自养成长的办法关于完成可继续发展的路途至关重要。

组成生物学的一个巨大应战是使异养形式生物变为组成自养。虽然人们对可再生动力存储和更可继续的食物出产具有广泛爱好，可是曩昔规划工业相关异养形式生物将二氧化碳作为仅有碳源的尽力一向失利，从前在异养形式生物中树立自催化二氧化碳固定循环的测验总是要求添加多碳有机化合物才干完成安稳的成长。

“改造”大肠杆菌

在这项研讨中，研讨人员的首要方针是树立一个便利的科学渠道，以增强对二氧化碳的固定，这能够在必定程度上协助处理与可继续出产食物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首要力气，将其碳源从有机碳转化为二氧化碳是迈向树立这样一个渠道的重要一步。

因而，研讨人员运用推陈出新的从头布线和试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发生的甲酸盐中搜集能量，由于甲酸盐是一种有机一碳化合物，不能作为大肠杆菌的碳源，所以不支撑异养途径。研讨人员还对该菌株进行了工程改造，以发生用于碳固定和复原以及从甲酸中搜集能量的非天然酶。可是，仅凭这些改动不足以支撑自养，由于大肠杆菌的代谢习惯了异养成长。

为了战胜这一难题，研讨人员将习惯性试验室进化作为一种代谢优化东西。经过将参加异养成长的中心酶失活，使细菌更依靠自养途径成长，还运用有限数量的木糖（有机碳的来历）在包括很多甲酸盐和10％二氧化碳的化学恒温器中培育细胞，以按捺异养途径。开始供给约300天的木糖可满足支撑细胞增殖以发动进化。

工程组成的化学自养型大肠杆菌的示意图

在这种环境中，与依靠木糖作为成长碳源的异养生物比较，自养生物具有很大的选择性优势，它们将二氧化碳作为仅有碳源出发生物质，研讨人员运用同位素标记证明了别离出的细菌是真实的自养细菌。

运用13C的同位素标记试验标明，一切生物质组分均由二氧化碳作为仅有碳源发生

为了使试验室进化的通用办法成功，研讨人员必须将所需的细胞行为改动与习惯性优势相结合。经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个骤变：一类骤变是影响编码与碳固定循环相关的酶的基因；第二类是在曾经的自习惯试验室进化试验中一般观察到骤变的基因中发现的骤变，这标明它们不必定对自养途径具有特异性；第三类是不知道基因的骤变。

这项研讨初次描绘了细菌成长办法的成功转化，使得肠道细菌以相似植物的办法生计。令人惊奇的是，进行这种改动所需基因改动的数量相对较小。

未来的作业

文章作者表明，研讨局限性首要是细菌对甲酸酯的耗费要比碳固定所开释的更多。别的，在评论工业用办法的可扩展性之前，有必要进行更多的研讨。在未来的作业中，研讨人员将致力于经过可再生电力供给动力，以处理二氧化碳开释的问题，确认周围大气条件是否能够支撑自养，并测验缩小与自养成长最相关的骤变。

这一壮举为运用工程细菌将咱们视为废物的产品转化为燃料、食物或其他化合物拓荒了新远景，它还可当作一个渠道，以更好地了解和改进作为人类粮食出产根底的分子机器，然后协助进步农业产值。

End

参考资料：

[1] Laboratory-evolved bacteria switch toconsuming carbon dioxide for growth

[2] Conversion of Escherichia coli toGenerate All Biomass Carbon from CO2

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