换换口味？科学家让大肠杆菌改吃二氧化碳

来源：Nature自然科研

最新突破或让细菌“变身”，成为生产能量乃至食物的生物工厂。

大肠杆菌（Escherichia coli）要戒糖了。作为实验室的主力“菌”，大肠杆菌最近“喜提”新食物。研究人员培育了一株大肠杆菌菌株，无需摄取糖或其他有机分子，而是通过消耗二氧化碳实现生长。

科学家对大肠杆菌进行基因工程改造，让它们通过消耗二氧化碳来生长。来源：Steve Gschmeissner/SPL

科学家认为这是里程碑式的成就，因为它彻底改变了生物学最受欢迎的模式生物之一——大肠杆菌的代谢机制。将来，食用二氧化碳的大肠杆菌可以用来制造有机碳分子，后者能够作为生物燃料或用来生产食物。这种方式生产的产品将比传统生产方式的排放更少，而且能净化空气中的二氧化碳。这项研究于11月27日发表在《细胞》（Cell）1上。

“这就像代谢心脏移植。”未参与该研究的德国马克斯·普朗克陆地微生物研究所生物化学家、合成生物学家Tobias Erb评价道。

植物和光合蓝细菌（一种能产生氧气的水生微生物）只需光能就可将二氧化碳转化或固定为生物体所需的重要含碳物质，如DNA、蛋白质和脂肪。但这些生物很难进行基因修饰，把它们变成生物工厂的相关努力也难以开展。

相比之下，大肠杆菌很容易工程改造，而且它生长迅速，意味着可以对改造进行快速测试和调整，随时优化基因编辑。但问题在于，这种细菌喜欢以葡萄糖等糖类作为生长原料；二氧化碳从来都不是它们的“菜”，反倒是它们的排放产物。

Ron Milo是以色列魏茨曼科学研究院的系统生物学家，他和团队在过去十年内不遗余力地“调整”大肠杆菌的饮食结构。2016年，他们成功创造出了一种能消耗二氧化碳的菌株2。不过，其二氧化碳摄取量只占全部碳摄入量的一小部分，其余碳源是一种被称为丙酮酸的有机化合物。

食气菌

在这项最新的研究中，Milo和团队将基因工程与实验室进化相结合，创造出了一种可从二氧化碳获取全部所需碳的大肠杆菌菌株。首先，他们将编码一对酶的基因导入大肠杆菌中。有了这些酶，光合生物就能将二氧化碳转化为有机碳。植物和蓝藻利用光能来驱动这种转化，但这对大肠杆菌并不可行。因此，Milo团队又导入了一个基因，让大肠杆菌能从甲酸这种有机分子中获得能量。

即使添加了这些基因，大肠杆菌依然拒绝把它的“糖餐”换成“气餐”。但研究人员是不会放弃的，他们继续对转基因大肠杆菌进行了一年的连续传代，期间只给它们微量的糖，并提供浓度为地球大气250倍的二氧化碳。寄希望于这会让大肠杆菌演化出相关突变，适应新的饮食。大约200天后，以二氧化碳为唯一碳源的首批细胞终于诞生了。约300天后，这些细菌在实验室条件下的生长速度超过了那些不能消耗二氧化碳的细菌。

Milo表示，以二氧化碳为食，或者说自养的大肠杆菌菌株仍然可以利用糖来生长，而且也更倾向于以糖而不是二氧化碳为养料。一般的大肠杆菌每20分钟数量就会翻倍，而自养的大肠杆菌生长缓慢，在10%的二氧化碳环境中，每18小时才分裂一次。考虑到目前大气中的二氧化碳含量只有0.041%，它们基本无法在没有糖的情况下生存。

Milo和团队希望他们的细菌长得快点再快点，并能在二氧化碳水平较低的条件下生存。此外，他们还想理解大肠杆菌如何演化出食用二氧化碳的能力：这种转变似乎只涉及11个基因的改变，团队正在努力揭示背后的机制。

密歇根州立大学和加州劳伦斯·伯克利国家实验室的生物工程师Cheryl Kerfeld称该工作是一个“里程碑”，展现了基因工程与演化相结合，具有改进自然过程的强大力量。

目前，大肠杆菌已被用来合成各种有用的化学物质，如胰岛素和人类生长激素。Milo认为自己团队的工作可以让大肠杆菌生产更多的产品，比如可再生燃料、食物和其他物质。不过，他认为这一天并不会很快到来。

Erb的看法相同，“这篇论文仅仅是验证了一种理论，走向应用仍需要若干年的时间。