如何解读《Cell》合成生物学新成果,改造出只消耗二氧化碳就能自养生长的大肠杆菌?
2019年11月27日,《Cell》杂志在线发表了来自以色列魏茨曼科学研究所Ron Milo课题组题为「Conversion of Escherichia coli to Generate All Biomass Carbon from CO2」的研究论文。该研究利用合成生物学构建了一种全新的大肠杆菌菌株,这种菌株是以消耗二氧化碳作为碳源,而不是常规的有机物质,实现了自养生长。
Conversion of Escherichia coli to Generate All Biomass Carbon from CO2: Cell?www.cell.com
在生命进化的历史长河中,从第一个生命诞生开始到第一个可以利用二氧化碳的自养型生命出现一共经历了多久的时间?答案:20亿年[1];
而合成生物学家利用工程改造和实验室进化将一个细菌改造成可以利用二氧化碳的自养型细菌需要多久?答案:仅需要200天;
这个世界的生物大致上可以分为两种:第一种是将二氧化碳转化为生物质的自养型生物,第二种是无法自己生产有机物从而消耗有机物的异养型生物。
自养型生物在生态中的重要价值不言而喻,其以二氧化碳等无机物为来源自行制造有机物供自身生长需要,包括全部绿色植物和化学合成细菌,它们是生态系统中有机物的生产者,是生态系统中食物链的基础。
正由于其重要性,科学界一直想要为了更好的理解自养型生物生长的基本机制和原则,以及如何增强这个过程,比如我们可以使植物的光合作用速率更加高效。
在这一方面,一个很富有挑战性的研究方向便是利用合成生物学将一个异养型生物改造成一个自养型生物。通过这个过程,我们可以「建物致知」,进一步了解自然自养型生物的限制,以及如何提高相关的代谢通路的效率。
为了使一个异养型生物变成一个自养型生物需要做什么?大致需要做到以下三点:
1. 细胞内具有二氧化碳的固定机制,使细胞的碳摄入只依赖于二氧化碳,同时可以产生必要的有机化学物质
2. 细胞具有相应的酶反应机制获取生命必需的还原力,比如利用非化学能源(光、电等)或者氧化不用作碳源的还原化合物
3. 细胞能够调控和协调能量获取和二氧化碳固定途径,以便可以在以二氧化碳为唯一碳源时,细胞可以实现稳态生长
其实在这方面很早就有科学家在尝试,但是结果均无法实现对于二氧化碳的专一依赖,只能在提供二氧化碳的同时提供其他的营养物质才能维持细胞的正常生长。所以在这方面仍然是一个很大的挑战。
2019年11月28日,来自以色列的科研工作者与其合作者们在这一领域取得重大突破,其文章Conversion of Escherichia colito Generate All Biomass Carbon from CO2报道了他们首次通过合成生物学改造和实验室进化构建出仅利用CO2作为唯一碳源的自养型大肠杆菌的研究成果[2]。