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逆天了!以色列科学家造出新型大肠杆菌,可把二氧化碳作为碳源

  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。

  

  ▲本研究的图示(图片来源:参考资料[1])

  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。

  参考资料:

  [1] Shmuel Gleizer et al., (2019), Conversion of Escherichia coli to Generate All Biomass Carbon from CO2, Cell, DOI:

  [2] Tobias J. Erb et al., (2019), Escherichia coli in Auto(trophic) Mode, Cell,

  [3] Laboratory-evolved bacteria switch to consuming CO2 for growth, Retrieved November 28, 2019, from

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