▎学术经纬/报道
在最新的一期《细胞》杂志上，来自以色列魏茨曼科学研究所（Weizmann Institute of Science）的一支团队发表了一篇非常引人关注的论文——利用合成生物学的方法，他们造出了一种自然界里不存在的大肠杆菌，而且让它们学会了“吃”二氧化碳！这项研究也在同期《细胞》杂志上得到了专文解读。
这项研究为啥如此重要呢？这还要从生物的“吃饭方式”说起。根据食物来源的不同，生物可以被大致分为两类：一类叫做“自养生物”。顾名思义，它们能够自己生产有机物来养活自己。最常见的例子，就是我们身边的植物了——从一颗种子到一棵大树，植物“吃掉的”不是土壤，而主要是空气里的二氧化碳。第二类生物则叫做“异养生物”，它们不能自己产生有机物，只能通过进食来摄取。人类就是“异养生物”。
在生物实验室待过的朋友们都知道，大肠杆菌也是一种异养生物。而这支团队想要从纯科学的角度，研究能否通过改变它们代谢的方式，让大肠杆菌从异养生物变成自养生物。“我们想要知道为了实现这种转变，DNA蓝图需要发生多极端的变化。”本研究的第一作者Shmuel Gleizer博士说道。
在这篇论文里，科学家们先是引入了一条固定二氧化碳的通路，可以让大肠杆菌“吃掉”二氧化碳，并从中获取能量。此外，他们也改造了卡尔文循环等生化途径，让大肠杆菌能通过简单的电化学合成甲酸盐（formate，一种一碳化合物），促进二氧化碳的“消化”。但拥有这些通路，不代表大肠杆菌就喜欢这条通路。为了强迫它们改变“吃饭”的方式，研究人员们又利用自然选择的力量，通过让异养通路里的关键酶发生失活，并限制培养环境里的糖分，以促进大肠杆菌接受新添加的自养通路。
200多天后，大肠杆菌开始接受新的生活方式。350多天后，这些细菌完全接受了崭新的命运。后续测序结果则发现，这些细菌里，最少出现了11个新的突变，让它们能够适应自养的生活方式。其中，部分突变出现在固碳的循环中，另外一些突变则发生在一些功能不明的基因里。
“本研究首次改变了一种细菌的生长模式，让我们肠道里的细菌学会了植物才有的技能。” Gleizer博士点评道。
“我们的目标是创造一个便捷的科学平台，能增强对二氧化碳的固化。这有望解决食物和能源的可持续生产问题，也有望应对全球变暖带来的挑战，”通讯作者Ron Milo教授补充道：“利用生物技术，把大肠杆菌的碳源从有机碳变为二氧化碳，是建立这个平台的重要一步。”
不过我们也需要注意，这虽然是合成生物学领域的一大突破，但就结果来看，采取了新生活方式的大肠杆菌，产生的二氧化碳要比消耗得更多。想要缓解全球变暖的危机，科学家们还任重而道远。
[1] Shmuel Gleizer et al., (2019), Conversion of Escherichia coli to Generate All Biomass Carbon from CO2, Cell, DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.11.009
[2] Tobias J. Erb et al., (2019), Escherichia coli in Auto(trophic) Mode, Cell, https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.10.040
[3] Laboratory-evolved bacteria switch to consuming CO2 for growth, Retrieved November 28, 2019, from https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-11/cp-leb112019.php
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