在几个月的时间里，以色列的研究人员培育出了以二氧化碳为能源而不是有机化合物的大肠杆菌菌株。这一合成生物学的成就突出了细菌代谢的惊人可塑性，并为未来的碳中性生物生产提供了框架。这项研究发表在11月27日的《细胞》杂志上。

 

“我们的主要目标是创建一个方便的科学平台，可以增强二氧化碳固定，这可以帮助解决与可持续生产食物和燃料以及二氧化碳排放造成的全球变暖相关的挑战，”威兹曼科学研究所系统生物学家、资深作者Ron Milo说。“将生物技术的主力——大肠杆菌的碳源从有机碳转化为二氧化碳，是建立这样一个平台的重要一步。”

 

生物世界分为自养生物和异养生物，前者将无机二氧化碳转化为生物量，恒达网址后者消耗有机化合物。自养生物主宰着地球上的生物量，为我们提供了大量的食物和燃料。更好地理解自养生长的原理和增强自养生长的方法对实现可持续发展至关重要。

 

合成生物学的一个重大挑战是在一个模型异养生物体内产生合成自养。尽管人们对可再生能源储存和更可持续的粮食生产有着广泛的兴趣，但过去设计工业相关的异养生物模型以利用二氧化碳作为唯一碳源的努力都失败了。以往在模型异养生物中建立自催化CO2固定循环的尝试总是需要添加多碳有机化合物来实现稳定生长。

 

“从基础科学的角度,我们想看看这种细菌的饮食的一个重大转变——从依赖糖的合成所有的生物从二氧化碳——是可能的,”第一作者说Shmuel Gleizer (@GleizerShmuel),魏茨曼科学研究所的博士后研究员。“除了在实验室里测试这种转变的可行性，我们还想知道，在细菌DNA蓝图的变化方面，需要多么极端的适应。”

 

在细胞研究中，研究人员利用代谢重组和实验室进化将大肠杆菌转化为自养生物。工程菌株从甲酸盐中获取能量，甲酸盐可通过电化学方法从可再生资源中产生。因为甲酸盐是一种有机的单碳化合物，不作为大肠杆菌生长的碳源，所以它不支持异养途径。研究人员还对该菌株进行了基因改造，使其产生非天然的酶来固定和还原碳，并从甲酸盐中获取能量。但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。它们灭活了参与异养生长的中心酶，使细菌更依赖自养途径生长。他们还用有限的糖木糖(有机碳的来源)在恒化剂中培养细胞，以抑制异养途径。最初的木糖供应大约需要300天，以支持足够的细胞增殖，启动进化。恒化器还含有大量的甲酸盐和10%的二氧化碳气体。

 

在这种环境下，自养生物与依赖木糖作为碳源生长的异养生物相比，具有很大的选择性优势。利用同位素标记，研究人员证实了进化出来的分离细菌确实是自养的，即，而不是木糖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一般方法获得成功，我们必须找到一种方法，将细胞行为的预期变化与适应性优势结合起来，”米洛说。“这很困难，需要大量的思考和聪明的设计。”

 

通过对进化后的自养细胞的基因组和质粒进行测序，研究人员发现，在恒化器的进化过程中，只获得了11个突变。一组突变影响了编码与碳固定周期相关的酶的基因。第二类是在先前的适应性实验室进化实验中发现的基因突变，这些基因通常被观察到发生突变，这表明它们不一定只针对自养途径。第三类是未知作用的基因突变。