來源： 中國生物技術(shù)網(wǎng)

北京時(shí)間11月28日，發(fā)表在《Cell》上的一篇新研究中，來自以色列魏茨曼科學(xué)研究所的科學(xué)家們進(jìn)行了一場合成生物學(xué)壯舉：他們改造了一種通常以單糖為食的細(xì)菌，使其可以像植物一樣通過吸收二氧化碳來構(gòu)建細(xì)胞。這一成果為利用工程細(xì)菌將我們視為廢物的產(chǎn)品轉(zhuǎn)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(xué)伯克利分校的生化學(xué)家Dave Savage沒有參與這項(xiàng)研究，他表示這項(xiàng)研究影響深遠(yuǎn)。他說：“這些進(jìn)步可能最終改變我們教授生物化學(xué)的方式。”

生物學(xué)家通常把世界分為兩種類型的生物：自養(yǎng)生物（有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為生物量）和異養(yǎng)生物（消耗有機(jī)化合物）。自養(yǎng)生物控制著地球上的生物量，并供應(yīng)我們所需要的食物和燃料。更好地理解自養(yǎng)生長的原理以及促進(jìn)自養(yǎng)生長的方法對(duì)于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。

圖片來源：Cell

長期以來，合成生物學(xué)家一直試圖通過改造植物和自養(yǎng)細(xì)菌，從水和二氧化碳中生產(chǎn)有價(jià)值的化學(xué)物質(zhì)和燃料，因?yàn)檫@可能比其他途徑更便宜。到目前為止，他們已經(jīng)成功設(shè)計(jì)了異養(yǎng)大腸桿菌，從而獲得了比其他方法更廉價(jià)生產(chǎn)乙醇和其他所需的化學(xué)物質(zhì)。然而，它并不總是廉價(jià)的，這些經(jīng)過工程改造的大腸桿菌菌株必須以穩(wěn)定的糖為食，從而增加了工作成本。

因此，魏茨曼科學(xué)研究所的合成生物學(xué)家Ron Milo及其團(tuán)隊(duì)決定看看是否能將大腸桿菌轉(zhuǎn)化為自養(yǎng)生物。為此，他們重新設(shè)計(jì)了這種細(xì)菌新陳代謝的兩個(gè)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(xì)菌進(jìn)行光合作用的能力，因?yàn)樵撨^程太過復(fù)雜。取而代之的是，他們植入了一種酶的基因，使細(xì)菌能以甲酸鹽（一種有機(jī)一碳化合物）為食。然后，它們可以將甲酸鹽轉(zhuǎn)化為ATP，這是細(xì)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(zhuǎn)化為糖和其他有機(jī)分子。研究人員還讓細(xì)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(chǎn)生能夠以甲酸鹽和二氧化碳為食的細(xì)菌。研究人員懷疑，這些營養(yǎng)物質(zhì)仍在被導(dǎo)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(jī)碳的來源）受限的化學(xué)恒溫器中。研究團(tuán)隊(duì)最初供應(yīng)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(xì)胞增殖以啟動(dòng)進(jìn)化。

圖片來源：Cell

在這種環(huán)境中，與依賴xylose作為生長碳源的異養(yǎng)生物相比，自養(yǎng)生物具有很大的選擇性優(yōu)勢，這些自養(yǎng)生物由二氧化碳作為唯一碳源生產(chǎn)生物質(zhì)。研究人員使用同位素標(biāo)記證實(shí)了分離出的細(xì)菌是真正的自養(yǎng)細(xì)菌，即二氧化碳，而不是xylose或任何其他有機(jī)化合物支持細(xì)胞生長。

研究團(tuán)隊(duì)今天報(bào)告說，這些進(jìn)化的細(xì)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(jī)體的情況下生存。

Milo說：“它確實(shí)顯示了進(jìn)化是多么驚人，因?yàn)樗梢愿淖兗?xì)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(yī)學(xué)院系統(tǒng)生物學(xué)家Pam Silver說：“我對(duì)他們的成功表示敬意?！?

科學(xué)家們之前已經(jīng)開發(fā)了幾十種工具來操縱大腸桿菌的基因，使其產(chǎn)生不同的化合物，如藥物和燃料。這項(xiàng)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(yǎng)大腸桿菌了，而甲酸鹽又很容易獲得，因此，由風(fēng)能和太陽能產(chǎn)生的甲酸鹽可以幫助工程細(xì)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(gè)令人振奮的前景。

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