換換口味？科學家讓大腸桿菌改吃二氧化碳

最新突破或讓細菌“變身”，成為生產能量乃至食物的生物工廠。

大腸桿菌（Escherichia coli）要戒糖了。作為實驗室的主力“菌”，大腸桿菌最近“喜提”新食物。研究人員培育了一株大腸桿菌菌株，無需攝取糖或其他有機分子，而是透過消耗二氧化碳實現生長。

科學家對大腸桿菌進行基因工程改造，讓它們透過消耗二氧化碳來生長。來源：Steve Gschmeissner/SPL

科學家認為這是里程碑式的成就，因為它徹底改變了生物學最受歡迎的模式生物之一——大腸桿菌的代謝機制。將來，食用二氧化碳的大腸桿菌可以用來製造有機碳分子，後者能夠作為生物燃料或用來生產食物。這種方式生產的產品將比傳統生產方式的排放更少，而且能淨化空氣中的二氧化碳。這項研究於11月27日發表在《細胞》（Cell）1上。

“這就像代謝心臟移植。”未參與該研究的德國馬克斯·普朗克陸地微生物研究所生物化學家、合成生物學家Tobias Erb評價道。

植物和光合藍細菌（一種能產生氧氣的水生微生物）只需光能就可將二氧化碳轉化或固定為生物體所需的重要含碳物質，如DNA、蛋白質和脂肪。但這些生物很難進行基因修飾，把它們變成生物工廠的相關努力也難以開展。

相比之下，大腸桿菌很容易工程改造，而且它生長迅速，意味著可以對改造進行快速測試和調整，隨時最佳化基因編輯。但問題在於，這種細菌喜歡以葡萄糖等糖類作為生長原料；二氧化碳從來都不是它們的“菜”，反倒是它們的排放產物。

Ron Milo是以色列魏茨曼科學研究院的系統生物學家，他和團隊在過去十年內不遺餘力地“調整”大腸桿菌的飲食結構。2016年，他們成功創造出了一種能消耗二氧化碳的菌株2。不過，其二氧化碳攝取量只佔全部碳攝入量的一小部分，其餘碳源是一種被稱為丙酮酸的有機化合物。

食氣菌

在這項最新的研究中，Milo和團隊將基因工程與實驗室進化相結合，創造出了一種可從二氧化碳獲取全部所需碳的大腸桿菌菌株。首先，他們將編碼一對酶的基因匯入大腸桿菌中。有了這些酶，光合生物就能將二氧化碳轉化為有機碳。植物和藍藻利用光能來驅動這種轉化，但這對大腸桿菌並不可行。因此，Milo團隊又匯入了一個基因，讓大腸桿菌能從甲酸這種有機分子中獲得能量。

即使添加了這些基因，大腸桿菌依然拒絕把它的“糖餐”換成“氣餐”。但研究人員是不會放棄的，他們繼續對轉基因大腸桿菌進行了一年的連續傳代，期間只給它們微量的糖，並提供濃度為地球大氣250倍的二氧化碳。寄希望於這會讓大腸桿菌演化出相關突變，適應新的飲食。大約200天后，以二氧化碳為唯一碳源的首批細胞終於誕生了。約300天后，這些細菌在實驗室條件下的生長速度超過了那些不能消耗二氧化碳的細菌。

Milo表示，以二氧化碳為食，或者說自養的大腸桿菌菌株仍然可以利用糖來生長，而且也更傾向於以糖而不是二氧化碳為養料。一般的大腸桿菌每20分鐘數量就會翻倍，而自養的大腸桿菌生長緩慢，在10%的二氧化碳環境中，每18小時才分裂一次。考慮到目前大氣中的二氧化碳含量只有0。041%，它們基本無法在沒有糖的情況下生存。

Milo和團隊希望他們的細菌長得快點再快點，並能在二氧化碳水平較低的條件下生存。此外，他們還想理解大腸桿菌如何演化出食用二氧化碳的能力：這種轉變似乎只涉及11個基因的改變，團隊正在努力揭示背後的機制。

密歇根州立大學和加州勞倫斯·伯克利國家實驗室的生物工程師Cheryl Kerfeld稱該工作是一個“里程碑”，展現了基因工程與演化相結合，具有改進自然過程的強大力量。

目前，大腸桿菌已被用來合成各種有用的化學物質，如胰島素和人類生長激素。Milo認為自己團隊的工作可以讓大腸桿菌生產更多的產品，比如可再生燃料、食物和其他物質。不過，他認為這一天並不會很快到來。

Erb的看法相同，“這篇論文僅僅是驗證了一種理論，走向應用仍需要若干年的時間。

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