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实验室进化的大2号站肠杆菌只从二氧化碳中产生能量

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根据今天(11月27日)发表在《细胞》杂志上的一篇论文,研究人员已经改造了大肠杆菌,使其完全由二氧化碳产生能量。
 
大肠杆菌通常是一种异养生物,它们的能量来源是摄入葡萄糖等有机化合物,但新的研究表明,它们可以转化为自养生物,通过将大气中的二氧化碳转化为生物质来制造自己的能量。
 
加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)的生化学家戴夫·萨维奇(Dave Savage)没有参与这项研究,他在电子邮件中告诉《科学家》杂志,“我发现,一个进化了数十亿年、以异养方式生活的有机体,能够如此迅速而彻底地转变成自养生物,这在根本上是令人惊讶的。”“这表明新陈代谢是极具可塑性的。”
 
以色列魏茨曼科学研究所的系统生物学家、论文的第一作者罗恩·米洛(Ron Milo)告诉《科学家》杂志,这种利用无机碳制造生物质的过程被称为碳固定,可以用来解决“当今人类面临的一些最大挑战”。例如,增加植物的固碳可以产生更多的生物量,2号站这可以增加世界粮食供应。
 
Milo-fix公司表示,该团队的目标是使大肠杆菌成为一种“在基因上可塑性很强的模式生物”,以此作为迈向可持续工业过程(如制造生物燃料)的一步。
 
通常情况下,大肠杆菌并不具备利用二氧化碳的分子机制,因此研究人员根据固定碳的假单胞菌的基因序列,给了它固定碳的基因。这些变化还不足以迫使细菌转变为自养型,因此研究小组还使三种参与异养代谢的基因失效,并将细菌放入糖量有限的生长箱中,使它们挨饿。在这种环境下,使用二氧化碳而不是有限的糖的细菌有一个优势,研究人员想看看细菌是否可以进化到只使用二氧化碳。
 
大肠杆菌是在甲酸钠的基础上生长的,甲酸钠是一种碳分子,在产生能量的过程中提供必要的电子,2号站代理但对生物量没有贡献。生长室内的空气也富含二氧化碳。
 
大约200天后,细菌完全依靠空气中的二氧化碳产生生物量,同时吸收甲酸盐作为化学反应的必要成分。当科学家们分析细菌的基因组时,他们发现细菌在经历了11次突变后,已经进化到以二氧化碳为能量来源。其中一些变化发生在与碳固定有关的基因中,而另一些变化则发生在其他实验室进化实验中已知会发生突变的基因中,或者在二氧化碳的能量生产中没有已知的作用。
 
“这是该领域概念的一个证明,你真的可以重新布线……生物体的新陈代谢特征。这是一个令人兴奋的进步,”德国马克斯普朗克陆地微生物研究所的合成生物学家Tobias Erb对《科学家》杂志说。然而,“如果他们创造的菌株在未来具有生物技术相关性……我认为这仍有待商榷,”他表示。
 
例如,目前自养的大肠杆菌产生的副产品二氧化碳比它们吸收的要多。这个问题可以通过将来从二氧化碳中生产甲酸盐来解决,这样就不会产生二氧化碳的净排放。
 
此外,研究人员在细菌的生长空间中使用了高浓度的二氧化碳——大约占空气的10%——但它只占地球大气的0.04%。米洛说:“我们很有兴趣看看是否可以把它的浓度提高到环境二氧化碳水平,这意味着人们可以使用二氧化碳含量低得多的环境大气,即400ppm。”
 
“这是一个有趣的概念。它是否真的在应用方面变得有用,那是另一个问题,”帕特里克·琼斯(Patrik Jones)告诉《科学家》杂志,他在伦敦帝国理工学院(Imperial College London)研究微生物代谢工程,没有参与这项研究。“这肯定是朝着那个方向迈出的一步……但我认为,重要的是要认识到,要利用这一点,还需要采取更多的步骤。”

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