大肠杆菌细菌被设计成可以吃二氧化碳
2019-11-29   阅读:680   来源:Nature

饮食中有大肠杆菌。研究人员创造了一种实验室劳力细菌菌株(全称为大肠埃希氏大肠杆菌),该菌株通过消耗二氧化碳而不是糖或其他有机分子来生长。

科学家们说,这项成就是一个里程碑,因为它极大地改变了生物学上最流行的模型生物之一的内部运作。将来,食用二氧化碳的大肠埃希氏菌可用于制造可用作生物燃料或生产食品的有机碳分子。与常规生产方法相比,以这种方式生产的产品将具有更低的排放,并且有可能从空气中去除气体。该作品于11月27日发表在Cell1上。

未参与这项研究的德国马克斯·普朗克陆地微生物研究所的生物化学家兼合成生物学家托比亚斯·埃尔布(TobiasErb)说:“这就像是进行心脏代谢手术。”

植物和光合作用的蓝细菌-产生氧气的水生微生物-利用光能将CO2转化或固定为含碳的生命组成部分,包括DNA,蛋白质和脂肪。但是这些生物很难进行基因改造,这减慢了将它们转变为生物工厂的努力。

相比之下,大肠杆菌相对容易工程改造,其快速生长意味着可以快速测试和调整变化以优化遗传改变。但是细菌更喜欢在葡萄糖等糖类上生长,而不是消耗二氧化碳,而是将气体作为废物排放。

以色列Rehovot的魏兹曼科学研究所的系统生物学家RonMilo及其团队在过去的十年中对大肠杆菌的饮食进行了全面检查。在2016年,他们创造了2种消耗CO2的菌株,但该化合物仅占生物体碳摄入量的一小部分-其余是细菌饲养的有机化合物,称为丙酮酸。

气体饮食

在最新的工作中,Milo和他的团队结合了基因工程和实验室进化的技术,制造出一种大肠杆菌菌株,该菌株可以从CO2中获取所有碳。首先,他们提供了细菌基因,该基因编码一对酶,使光合生物将二氧化碳转化为有机碳。植物和蓝细菌利用光来推动这种转化,但这对于大肠杆菌是不可行的。相反,米洛的研究小组插入了一个基因,该基因可使细菌从称为甲酸的有机分子中收集能量。

即使添加了这些细菌,细菌仍拒绝将其糖粉换成二氧化碳。为了进一步调整该菌株,研究人员将连续几代改良的大肠杆菌培养了一年,使它们只得到了极少量的糖和二氧化碳,其浓度约为地球大气层的250倍。他们希望这种细菌能进化出适应新饮食的突变。大约200天后,出现了第一个能够将CO2用作唯一碳源的电池。300天后,这些细菌在实验室条件下的生长速度快于那些无法吸收二氧化碳的细菌。

米洛说,食用二氧化碳的或自养的大肠杆菌菌株仍可以在糖上生长,并且在选择的情况下,将使用二氧化碳以外的燃料作为燃料。与通常每20分钟翻一番的普通大肠杆菌相比,自养型大肠杆菌是落后的,当在10%CO2的气氛中生长时,每18小时就会分裂一次。没有糖,他们就无法维持大气中的二氧化碳水平(目前为0.041%)。

Milo和他的团队希望使细菌生长更快,并以较低的CO2含量生活。他们还试图了解大肠杆菌如何进化为吸收二氧化碳:仅11个基因的变化似乎就可以改变这种状况,他们现在正在努力确定如何进行。

东兰辛密歇根州立大学的生物工程师和加利福尼亚州劳伦斯伯克利国家实验室的生物工程师谢丽尔·科菲尔德说,这项工作是“里程碑”,显示了融合工程和进化以改善自然过程的力量。

大肠杆菌已经被用于合成有用化学品的合成形式,例如胰岛素和人类生长激素。米洛(Milo)说,他的团队的工作可以扩大细菌可以制造的产品,包括可再生燃料,食物和其他物质。但是他看不到这种情况会很快发生。

“这是概念证明文件,”Erb表示同意。“要花几年时间,我们才能看到这种生物的应用。”

doi:10.1038/d41586-019-03679-x

参考:

1.Gleizer,S.etal.Cellhttps://doi.org/10.1016/j.cell.2019.11.009(2019).

2.Antonovsky,N.etal.Cell166,115–125(2016).

#大肠杆菌
©2020年04月06日 19:37:18
基因在线
0.071s加载完成
北京艾迪灵科技有限公司 旗下网站