北京時間11月28日，發表在《Cell》上的一篇新研究中，來自以色列魏茨曼科學研究所的科學家們進行了一場合成生物學壯舉：他們改造了一種通常以單糖為食的細菌，使其可以像植物一樣通過吸收二氧化碳來構建細胞。這一成果為利用工程細菌將我們視為廢物的產品轉化為燃料、食品或其他感興趣的化合物開辟了令人振奮的新前景。

加州大學伯克利分校的生化學家Dave Savage沒有參與這項研究，他表示這項研究影響深遠。他說：“這些進步可能最終改變我們教授生物化學的方式。”

生物學家通常把世界分為兩種類型的生物：自養生物（有機碳轉化為生物量）和異養生物（消耗有機化合物）。自養生物控制著地球上的生物量，并供應我們所需要的食物和燃料。更好地理解自養生長的原理以及促進自養生長的方法對于實現可持續發展至關重要。

圖片來源：Cell

長期以來，合成生物學家一直試圖通過改造植物和自養細菌，從水和二氧化碳中生產有價值的化學物質和燃料，因為這可能比其他途徑更便宜。到目前為止，他們已經成功設計了異養大腸桿菌，從而獲得了比其他方法更廉價生產乙醇和其他所需的化學物質。然而，它并不總是廉價的，這些經過工程改造的大腸桿菌菌株必須以穩定的糖為食，從而增加了工作成本。

因此，魏茨曼科學研究所的合成生物學家Ron Milo及其團隊決定看看是否能將大腸桿菌轉化為自養生物。為此，他們重新設計了這種細菌新陳代謝的兩個基本部分：能量來源和用來生長的碳源。

在能量方面，研究人員無法賦予細菌進行光合作用的能力，因為該過程太過復雜。取而代之的是，他們植入了一種酶的基因，使細菌能以甲酸鹽（一種有機一碳化合物）為食。然后，它們可以將甲酸鹽轉化為ATP，這是細胞可以使用的能量分子，并讓其可以使用第二批接收到的三種新酶所需的能量，所有這些都使其能將二氧化碳轉化為糖和其他有機分子。研究人員還讓細菌通常用于新陳代謝的幾種酶失活，迫使其依靠新的食物生長。

然而，這些變化最初并未產生能夠以甲酸鹽和二氧化碳為食的細菌。研究人員懷疑，這些營養物質仍在被導向其自然代謝。因此，他們將一批工程化的菌株接種到木糖（xylose，一種有機碳的來源）受限的化學恒溫器中。研究團隊最初供應約300天的木糖，并提供大量的甲酸鹽和10％的二氧化碳，支持足夠的細胞增殖以啟動進化。

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在這種環境中，與依賴xylose作為生長碳源的異養生物相比，自養生物具有很大的選擇性優勢，這些自養生物由二氧化碳作為唯一碳源生產生物質。研究人員使用同位素標記證實了分離出的細菌是真正的自養細菌，即二氧化碳，而不是xylose或任何其他有機化合物支持細胞生長。

研究團隊今天報告說，這些進化的細菌總共獲得了11種新的基因突變，使它們能在不食用其他有機體的情況下生存。

Milo說：“它確實顯示了進化是多么驚人，因為它可以改變細胞新陳代謝的基本功能。”

多年來一直致力于同類研究的哈佛醫學院系統生物學家Pam Silver說：“我對他們的成功表示敬意。”

科學家們之前已經開發了幾十種工具來操縱大腸桿菌的基因，使其產生不同的化合物，如藥物和燃料。這項新研究意味著研究人員可以植入這些以甲酸鹽為食的自養大腸桿菌了，而甲酸鹽又很容易獲得，因此，由風能和太陽能產生的甲酸鹽可以幫助工程細菌制造乙醇和其他燃料，或藥物，如抗瘧疾藥物青蒿素。這是一個令人振奮的前景。

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