Cell：绝对异养型生物改造成完全自养型生物

撰文 | 胡小话

责编 | 陈哲

自接触生物科学以来，我们就被告知自然界的生物可以分为三类：以植物为主的“生产者”，以动物为主的“消费者”和以微生物为主的“消费者”。随着对生物科学的深入了解，我们知道这些生物其实可以简单的分为两类：可以将CO2转化为有机物的自养生物(autotrophs)和以分解有机物为生的异养生物(heterotrophs)。因此，界定这两种生物唯一的标准就是判断其是否是利用CO2作为单一碳源。很长一段时间以来，科学家们一直努力尝试在实验室条件下将已知的异养生物转变成自养生物【1,2】，因为这不仅能帮助我们更好的理解自养生物的生存法则，此外，在构建自养生物的过程中，我们可以认识到自然界中的自养生物在自养代谢过程中的限制因素是什么，并以此来寻求方法去促进这一过程并实现无机碳源向有机物转换的可持续性。

自然界目前已知的有五种固碳途径：卡尔文循环（Calvin-Benson-Bassham cycle ，CBB）、还原性三羧酸循环(rTCA)、还原性乙酰辅酶A途径（W-L循环）、3-羟基丙酸/4-羟基丁酸（3HP/4HB）、 3-羟基丙酸、二羧酸/4-羟基丁酸（DC/4HB）。其中最普遍的CO2固定途径是卡尔文循环，它广泛的存在于绿色植物体、蓝细菌、藻类、紫色细菌和一些变形菌中【3】。尽管科学家们已经在大肠杆菌中以卡尔文循环为代谢基础取得了巨大的进步，但遗憾的是一直没能取得最后的成功。

2019年11月28日，来自以色列威茨曼科学研究所的Ron Milo教授与其合作者们在这一领域取得重大突破，在Cell 杂志上发表了题为Conversion of Escherichia coli to Generate All Biomass Carbon from CO2的研究，报道了他们首次在实验室内构建出只利用CO2作为唯一碳源的自养型大肠杆菌的研究成果。

为了构建出自养型大肠杆菌，作者将这一艰巨的任务拆分成三个部分：第一，CO2只能作为唯一的碳源,并参与核心代谢用于合成12种生物大分子前体；第二，在在大肠杆菌内过表达一套酶系统，该系统可以通过非化学能量诸如光、电等或者通过氧化非碳源的还原性化学物来获取还原力(reducing power，指生物氧化还原反应中产生的作为还原剂的高能化合物，如NADH、NADPH等)；第三，必须要协调好CO2固定和能量获取这两个过程，从而使得大肠杆菌能够稳定利用CO2作为唯一碳源生长。这里值得一提的是，已有研究中，包括作者之前的研究，已经能够利用CO2作为碳源来维持大肠杆菌的生长，但可惜的是这一过程需要添加额外的碳源【1】。

图：大肠杆菌改造策略

为了解决这一难题，作者首先选用甲酸钠作为电子供体用于固定CO2,因为甲酸钠不仅可以提供还原力，并且在自然条件下不会被大肠杆菌作为碳源利用。为了将甲酸钠中的还原力释放出来，作者需要在大肠杆菌中过表达一套酶系统，包括甲酸脱氢酶(FDH), 二磷酸核酮糖羧化酶(Rubisco)以及磷酸核酮糖激酶（phosphoribulo-kinase）。然而，在大肠杆菌中过表达了这三种重组酶并不能使得其在自养条件下进行生长。

于是作者决定利用实验室适应进化（adaptive laboratory evolution）的方法作为优化工具去获得完全自养的大肠杆菌。作者认为，实验失败的根本原因在于大肠杆菌本身是异养生物，所以其代谢流分配主要还是适应异养生长。因此，作者首先通过敲除碳源代谢两个关键酶—磷酸果糖激酶（phosphofructokinase）和葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（glucose-6-phosphate-dehydrogenase）对大肠杆菌进行代谢重编程并使得其在以木糖为碳源的条件下依赖二磷酸核酮糖羧化酶(Rubisco)的脱羧作用。紧接着，在此基础上再去过表达甲酸脱氢酶(FDH), 二磷酸核酮糖羧化酶(Rubisco)以及磷酸核酮糖激酶（phosphoribulo-kinase）。最后，作者将改造后的大肠杆菌培养在木糖限制的恒化器中，使得大肠杆菌在能够维持生长的同时始终处于碳源饥饿的状态，从而保持一定的选择压力促进进化过程的发生。见下图。

经过约350天的实验室适应进化实验，作者完全撤掉了体系中的木糖并持续检测大肠杆菌的生长情况，结果表明大肠杆菌依旧可以正常生长。此外，作者利用C13标记的同位素实验证明，这些大肠杆菌只利用CO2作为唯一的碳源，这说明作者构建出了完全自养型大肠杆菌。

为了更好的阐述大肠杆菌在异养到自养转变过程的遗传基础，作者对这一过程不同时段的大肠杆菌菌株的基因组和质粒进行测序。作者将检测到的基因突变分成三个大类，第一类突变基因与卡尔文循环直接相关，总的来说，自养型大肠杆菌包含不止一个代谢分流点（flux branch point）的突变。第二类突变基因与之前实验室适应进化实验观测到的突变一致。第三类突变基因是一些当前未知功能的突变，因此需要后续的实验来证明其对大肠杆菌自养转变过程是否是必需的。

综上，Ron Milo教授研究团队以大肠杆菌为研究对象，以卡尔文循环为代谢基础，以适应性进化为优化工具最终实现了大肠杆菌从异养代谢向自养代谢的转化，打破了不同生物类型之间的“次元壁”。这一工作的意义还在于为我们今后直接利用大气中的CO2来合成食物，燃料以及其他生物分子提供了可能性，尤其对于温室效应越来越严重的今天而言，这项研究让人兴奋。

然而，Ron Milo教授也提出这项工作目前的不足之处，由于体系中的自养型大肠杆菌需要将甲酸钠氧化成CO2来供能，且产生CO2速率要高于其吸收的速率，所以实际上系统中CO2是净增加的，因此未来可能需要偶联一个可再生能源途径去将CO2再合成甲酸钠或者寻找其他化合物替代fomrate为体系供能。

原文链接 

https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.11.009

制版人：小娴子

参考文献

1. Antonovsky, N., Gleizer, S., Noor, E., Zohar,Y., Herz, E., Barenholz, U., Zelcbuch,L., Amram, S., Wides, A., Tepper, N., etal. (2016). Sugar Synthesis from CO2 in Escherichia coli. Cell 166, 115–125.

2. Herz, E., Antonovsky, N., Bar-On, Y., Davidi,D., Gleizer, S., Prywes, N., Noda-Garcia, L., Frisch, K.L., Zohar, Y., Wernick,D.G., et al. (2017). The geneticbasis for the adaptation of E. coli to sugarsynthesis from CO2. Nat. Commun.8, 1705.

3. Wilson A T, Calvin M. The photosynthetic cycle.CO2 dependent transients[J]. Journal of the American Chemical Society, 1955,77(22): 5948-5957.

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