▎學術經緯/報道
在最新的一期《細胞》雜誌上，來自以色列魏茨曼科學研究所（Weizmann Institute of Science）的一支團隊發表了一篇非常引人關注的論文——利用合成生物學的方法，他們造出了一種自然界裡不存在的大腸桿菌，而且讓它們學會了“吃”二氧化碳！這項研究也在同期《細胞》雜誌上得到了專文解讀。
這項研究為啥如此重要呢？這還要從生物的“吃飯方式”說起。根據食物來源的不同，生物可以被大致分為兩類：一類叫做“自養生物”。顧名思義，它們能夠自己生產有機物來養活自己。最常見的例子，就是我們身邊的植物了——從一顆種子到一棵大樹，植物“吃掉的”不是土壤，而主要是空氣裡的二氧化碳。第二類生物則叫做“異養生物”，它們不能自己產生有機物，只能通過進食來攝取。人類就是“異養生物”。
在生物實驗室待過的朋友們都知道，大腸桿菌也是一種異養生物。而這支團隊想要從純科學的角度，研究能否通過改變它們代謝的方式，讓大腸桿菌從異養生物變成自養生物。“我們想要知道為了實現這種轉變，DNA藍圖需要發生多極端的變化。”本研究的第一作者Shmuel Gleizer博士說道。
在這篇論文裡，科學家們先是引入了一條固定二氧化碳的通路，可以讓大腸桿菌“吃掉”二氧化碳，並從中獲取能量。此外，他們也改造了卡爾文循環等生化途徑，讓大腸桿菌能通過簡單的電化學合成甲酸鹽（formate，一種一碳化合物），促進二氧化碳的“消化”。但擁有這些通路，不代表大腸桿菌就喜歡這條通路。為了強迫它們改變“吃飯”的方式，研究人員們又利用自然選擇的力量，通過讓異養通路里的關鍵酶發生失活，並限制培養環境裡的糖分，以促進大腸桿菌接受新添加的自養通路。
200多天後，大腸桿菌開始接受新的生活方式。350多天後，這些細菌完全接受了嶄新的命運。後續測序結果則發現，這些細菌裡，最少出現了11個新的突變，讓它們能夠適應自養的生活方式。其中，部分突變出現在固碳的循環中，另外一些突變則發生在一些功能不明的基因裡。
“本研究首次改變了一種細菌的生長模式，讓我們腸道里的細菌學會了植物才有的技能。” Gleizer博士點評道。
“我們的目標是創造一個便捷的科學平臺，能增強對二氧化碳的固化。這有望解決食物和能源的可持續生產問題，也有望應對全球變暖帶來的挑戰，”通訊作者Ron Milo教授補充道：“利用生物技術，把大腸桿菌的碳源從有機碳變為二氧化碳，是建立這個平臺的重要一步。”
不過我們也需要注意，這雖然是合成生物學領域的一大突破，但就結果來看，採取了新生活方式的大腸桿菌，產生的二氧化碳要比消耗得更多。想要緩解全球變暖的危機，科學家們還任重而道遠。
[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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