科學家花 1 年培育出飲食進化的大腸桿菌,從吃糖改吃二氧化碳成長

作者 | 發布日期 2019 年 11 月 28 日 19:15 | 分類 生物科技 , 醫療科技 follow us in feedly


細菌再度展現了驚人的生物可塑性。以色列科學家在實驗室中設計出一種新大腸桿菌菌株,專吃二氧化碳而不是糖或其他有機分子來成長,這項技術可能在未來衍生「細菌工廠」,靠著細菌吸收二氧化碳來轉化出高價值化合物。

生物學家習慣將世界上的生物分為兩類來看:自營生物(autotroph)與異營生物(heterotroph),前者比如植物和一些細菌,主要利用光合作用將二氧化碳轉化為糖和其他有機物質;後者則包括人類及其他多數物種,必須攝取現成養分來維持生存機能。

而合成生物學家多年來一直在嘗試改造某些異營生物,希望可以讓它們簡單利用水和二氧化碳、產生有價值的化學物質及燃料。但到目前為止,能見較成功的案例只有大腸桿菌(學名:Escherichia coli),這是常見於人和動物腸道內的細菌,有時會引發食物中毒,改造後能拿來生產乙醇和其他化學品。

然而經過工程改造的大腸桿菌菌株必須穩定進食糖分才能好好工作,所以成本也沒那麼便宜。由以色列魏茨曼科學研究學院系統生物學家 Ron Milo 領導的團隊,於是決定重新設計大腸桿菌新陳代謝的 2 個基本環節:它如何獲取能量、以及讓它成長的碳源。

從基本科學角度來看,科學家想知道讓細菌飲食出現重大轉變──從糖和有機化合物變成二氧化碳的成功性有多大、以及細菌 DNA 會如何突變以適應飲食環境改變。

2016 年時,Ron Milo 團隊創造出可以消耗二氧化碳的大腸桿菌菌株,然而細菌飲食中二氧化碳只占一小部分,其餘仍以「丙酮酸」有機化合物為大宗。

而在最新實驗裡,研究團隊製造出另一種大腸桿菌菌株,可以完全以二氧化碳為主食。首先,研究人員嘗試在大腸桿菌的基因中插入能讓光合生物將二氧化碳轉化為有機碳的酶,但發現此法對大腸桿菌不通,於是研究人員改插入另一個基因,能讓細菌從甲酸鹽(Formate)有機分子中收集能量。

強迫細菌改吃二氧化碳

即便如此,大腸桿菌剛開始仍拒絕將食物從糖轉換成二氧化碳,為了調整細菌的飲食習慣,研究人員培養了改良菌株長達 1 年,這段期間只給予細菌少量的糖,其餘都是高濃度二氧化碳──大概大氣濃度的 250 倍,希望細菌可以進化出適應新飲食的突變。

200 天後,細菌內第一個完全以二氧化碳為能量來源的細胞誕生了;300 天後,那些以二氧化碳為主食的大腸桿菌菌株,生長速度已經超越無法消耗二氧化碳的大腸桿菌。

對進化為自營生物的大腸桿菌細胞基因組進行測序後,研究人員發現了 11 個突變。一組突變影響編碼與碳循環相關酶的基因,一組突變在過去實驗就觀察過;還有一組是未知基因的突變。

這項研究首次成功轉換了細菌生長所需的能量來源,想像你腸道內常見的大腸桿菌,可以像植物般活著。

大腸桿菌已被用於合成一些化學品的媒介,如胰島素、人類生長激素。Ron Milo 表示,轉變為自營生物的大腸桿菌將能協助製造更多產品,包括可再生燃料、食物、其他化學物質等,雖然他也表明這項工程不會太快商業化。

還要花好幾年時間,我們才有機會看到自營大腸桿菌的真實應用。新論文發表在《細胞》(Cell)期刊。

(首圖來源:shutterstock)