研究人员演化了消耗CO2的细菌的能量

在几个月的过程中，以色列的研究人员创建了大肠杆菌菌株，用于消耗CO2的能量而不是有机化合物。合成生物学的这一成就突出了细菌新陈代谢的令人难以置信的可塑性，可以为未来的碳中性生物制造提供框架。这项工作显示在2019年11月27日，在杂志中。

“我们的主要目标是创造一个方便的科学平台，可以提高二氧化碳固定，这有助于解决与可持续生产食品和燃料生产以及二氧化碳排放造成的全球变暖有关的挑战，”系统生物学家高级作者Ron Milo说Weizmann科学研究所。“转换大肠杆菌的碳来源，从有机碳转化为CO2的生物技术的主力是建立这种平台的重要步骤。”

生物世界被视为自触发，使无机二氧化碳转化为消耗有机化合物的生物量和异质术。自养生物体在地球上占据了生物量，并提供了我们的大部分食物和燃料。更好地了解自养生长和增强方法的方法，对可持续性的途径至关重要。

该图显示了研究人员如何通过代谢工程与实验室演变相结合的二氧化碳（自动营养）从二氧化碳（自身营养）产生所有生物质的常见实验室糖进食。新的细菌（中心）使用该化合物作为化学能的形式，以通过合成代谢途径驱动CO 2固定。细菌可以为未来的工业可再生生产的食物和绿色燃料（右）提供基础设施。

合成生物学中的大挑战一直在模型异养生物体中产生合成自养。尽管对可再生能源储存和更可持续的粮食生产普遍兴趣，但过去努力在工业相关的异养型模型生物体中使用CO2，因为唯一的碳源失败。以前的尝试在模型异质中建立自催化CO2固定循环总是需要添加多碳有机化合物以实现稳定的生长。

“从基本的科学的角度来看，我们想看看细菌的饮食中的一个重大转型 - 从依赖于来自二氧化碳的所有生物质的依赖性 - 是可能的，”魏兹曼研究所第一作者Shmuel Gleizer说科学博士后研究员。“除了测试实验室中这种转型的可行性之外，我们希望知道在细菌DNA蓝图的变化方面需要适应的极端。”

在细胞研究中，研究人员使用代谢重新挤出和实验室演变，将大肠杆菌转化为自触发。工程化菌株收获来自甲酸盐的能量，这可以从可再生源电化学产生。因为甲酸盐是一种有机单碳化合物，其不作为大肠杆菌生长的碳源，因此它不支持异养途径。研究人员还设计了菌株以产生非原生酶用于碳固定和还原，并从甲酸甲酸收获能量。但是，仅这些变化不足以支持自养，因为大肠杆菌的新陈代谢适应异养生长。

为了克服这一挑战，研究人员转向适应性实验室演变作为代谢优化工具。它们灭活了涉及异养生长的中枢酶，使细菌更依赖于用于生长的自养途径。它们还将ChemoStats中的细胞增长，具有有限的糖木糖 - 一种有机碳源 - 抑制异养途径。初始供应木糖约300天，以支持足够的细胞增殖，以踢进开始进化。Chemostat还含有大量甲酸盐和10％的CO 2气氛。

在这种环境中，与依赖于木糖作为碳源的异位碳，对从二氧化碳产生生物质的自抗植物具有大的选择性优势。使用同位素标记，研究人员证实，进化的分离的细菌是真正的自养，即CO 2，不是木糖或任何其他有机化合物支持的细胞生长。

“为了使实验室进化的一般方法成功，我们必须找到一种方法来将细胞行为的预期变化耦合到健身优势，”米洛说。“这很艰难，需要很多思考和智能设计。”

通过测序进化的自养细胞的基因组和质粒，研究人员发现，通过化学稳定剂中的进化过程获得了少数突变。一组突变影响编码链接到碳固定循环的酶的基因。第二类由在先前的自适应实验室演化实验中突变的基因中发现的突变组成，表明它们不一定是特异性的自养途径。第三类由没有已知作用的基因中的突变组成。

“该研究首次描述了细菌的生长方式的成功转型。教学肠道细菌来做植物被着名的伎俩是一个真正的长射击，“Gleizer说。“当我们开始指导的进化过程时，我们没有任何情况下我们成功的机会，文献中没有先例来指导或建议这种极端转型的可行性。此外，在结束时看到相对少量的遗传变化，使这一转变令人惊讶。“

作者称，一项重大研究限制是细菌的甲酸甲酸的消耗量比通过碳固定消耗更多的二氧化碳。此外，在可能讨论工业用途的可扩展性之前，需要更多的研究。

在未来的工作中，研究人员旨在通过可再生电力提供能源来解决二氧化碳释放的问题，确定环境大气条件是否可以支持自养，并尝试缩小最相关的自养生长的突变。

“这一壮举是一个强大的概念证明，开辟了使用工程化细菌的新令人兴奋的前景，以改变我们认为燃料，食物或其他感兴趣的垃圾，”米洛“。“它还可以作为更好地理解和改进是人类粮食生产基础的平台，从而有助于增加农业收益率。”

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参考：“转换大肠杆菌从二氧化碳产生所有生物质碳”，由Shmuel Gleizer，Roee Ben-Nissan，Yinon M. Bar-On，Melina Shamshoum，Arren Bar-ob和Ron Milo，2019年11月27日，Cell.doi：
10.1016 / J.Cell.2019.11.009

这项工作得到了欧洲研究委员会，以色列科学基金会，贝克加拿大替代能源研究中心，达娜和Yossie Hollander，赫尔斯利慈善基金会，Larson慈善基金会，大卫亚瑟巴顿庄园，安东尼·斯塔尔顿慈善信托，加拿大斯特拉·贝勒曼。作者宣布临时专利与稿件相关。