第一作者：ShmuelGleizer
通訊作者：Ron Milo
通訊單位：以色列魏茨曼科學研究所
本文聯合發表于NanoLabs微信公眾號
NanoLabs（ID：NanoLabs）
生物世界主要分為自養生物和異養生物，前者將CO2轉化為生物質自給自足，后者需要消耗有機化合物以維持生命。通過將無機碳固定在有機化合物中而產生生物質的自養生物是連接無機世界和生物世界之間的主要橋梁，它們支配著地球上的生物質，為我們提供所有的食物和大部分燃料。
更好地理解自養生長的原理，模擬和開發增強自養生長的方法，對于人類社會實現可再生能源儲存和更可持續的糧食生產至關重要。通過構建人工合成的自養生物，可以了解對自然界自養生物的主要限制因素以及如何改善它們的中樞代謝途徑。因此，如何在模型異養生物內進行自養生長，是一個關鍵問題。
2013年以來，Mattozzi等人嘗試在模型異養生物中建立自催化CO2固定循環的過程中，往往需要添加多碳有機化合物以實現穩定的生長。
2016年，以色列魏茨曼科學研究所Ron Milo研究團隊通過新陳代謝的設計，可通過大腸桿菌將CO2轉變為糖類物質。其中，CO2僅占生物質碳來源的三分之一，其余的依然由有機酸。
迄今為止，利用CO2作為唯一碳源的異養模式生物工程仍然是一個艱巨的挑戰。這一艱巨的任務主要包括三個基本組成部分：
1）為了實現向自養的完全過渡，宿主必須在僅由CO2組成的輸入途徑中實現CO2固定，而輸出產物必須進入中心碳代謝并提供所有12種必需生物質前體的有機分子。
2）通過收集非化學能（光或電等）或通過對不用作碳源的還原性化合物進行氧化來表達酶解來獲得還原作用；
3）有效調節能量收集和CO2固定途徑，使它們共同支持穩態增長，并以CO2作為唯一碳源。
有鑒于此，2019年11月27日，以色列魏茨曼科學研究所RonMilo研究團隊在之前研究基礎上，首次實現了將大腸桿菌轉變為能夠從CO2中產生所有的生物碳的自養生物。
研究人員報道了實驗室在時間尺度上對這一轉變的成就，他們設計并進化了大腸桿菌菌株，使用Calvin-Benson-Bassham循環（CBB，也簡稱為Calvin循環）進行碳固定，通過電化學的方式從一碳分子甲酸鹽（HCOO-）中收集并降低能量，但不提供碳。
核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶和磷酸核糖激酶與甲酸脫氫酶共表達，以通過卡爾文循環固定和還原CO2。在不斷增加的有機碳限制下，在化學恒溫器中進行連續數月的實驗室進化后，實現了自養生長，并通過同位素標記進行了確認。
逐步的生物工程過程需要共表達卡爾文循環酶和能量收集酶，研究人員通過合理地重新布線內源性代謝網絡，以及適應性實驗室進化以實現所需的營養模式轉換。合成自養生物的成功構建，證明了中心代謝的不可思議的可塑性，并為未來的碳中和生物生產提供了有力的借鑒。
參考文獻：
