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【合成生物學通訊報導】科學家結合基因改造和控制演化創造出化學自營性大腸桿菌

樓主 光山-Kohinoor tcss0612
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大家好 我是光山 不知道大家的生物化學程度如何呢?

大腸桿菌本來是屬於化學異營菌,也就是說他靠化學方法取得能量(ATP),並且不能從CO2開始合成有機物(不能吃空氣)。

自營Autotroph的意思其實是這個生物能不能從無機物(空氣中的CO2),開始合成有機分子。
AKA 能不能吃空氣長大? 至於能量哪裡來,那是另外一回事。

例如紫細菌就是異營光合生物,異營光合生物照光就有ATP可以活下去,但異營光合生物需要吃東西才能長大,沒辦法吃吸空氣長大。

這篇研究的科學家把大腸桿菌改造成了化學自營菌。
從本來需要吃東西(需要有機碳),需要化學物提供能量,變成了不用吃東西(可使用空氣),需要化學物提供能量。

之前就以經有研究想要把細菌的代謝路徑重新調整,不過都只是改一兩個地方,像是讓細菌可以使用新的DNA編碼,合成矽分子之類的。上一次(2016)有人這樣做只成功一半,製造出的大腸桿菌雖然獲得了自營能力,但無法達到100%自給率。這次則是真正的完全成功了。

這篇研究總共做了4件事情:
1.把植物的卡爾文循環整套搬移,丟到細菌裡面。
這會給予細菌從co2開始合成有機物的能力

2.從化學自營菌中,把NAD +偶聯甲酸脫氫酶殖入大腸桿菌。
這會給予大腸桿菌從甲酸中榨取化學能量的能力。甲酸的電子能量轉移到NADH中,這可以再被丟到電子傳遞鍊產生ATP,或者卡爾文循環用來還原CO2。

3.把糖解作用的相關基因破壞
讓大腸桿菌無法使用葡萄糖等傳統有機物當能量,不過還是能使用效率較低的木糖。
不然細菌一定會用本來的方法。

4.用定向演化選擇,提升效率。
就是2018年諾貝爾化學獎的那個定向演化。被亂改一通後的細菌生長能力很弱,畢竟生物學家對於代謝的了解還很薄弱,不知道要怎麼平衡。用演化之力讓他自己提升效率。
這結合了演化和基因改造,用基因改造空降全新的能力,再讓演化接手把這個能力微調到最佳。


魔改後的大腸桿菌,具有自營代謝需要的所有基因,但是生長緩慢,沒有最佳化。
這些初號機被放近含有甲酸,二氧化碳,木糖的生物反應爐中培養300天。並且逐步減少木糖含量,增加二氧化碳,讓細菌慢慢演化成高效率的自營菌。
(木糖代謝不需糖解作用,所以讓這些細菌還是可以使用木糖,但效率很低,如果可以演化成使用CO2,就會有非常大的演化優勢,這是為了讓細菌可以有演化轉換的過渡期)

最後這些大腸桿菌演化成了可以只靠甲酸和二氧化碳就生長的化學自營菌,研究團隊從生物反應爐中分離出了六個"物種" (光山今天不想戰物種,謝謝指教)


之前的魔改研究,經常失敗,可能的原因是沒有使用生物反應爐。
在普通的培養基中,養分含量固定,會被逐漸用光,養分含量低,細菌演化的動力就低。
這篇研究使用了chemostats(生物反應爐),不停的補充消耗的養分,維持養分充足恆定。並且把垃圾也都帶走,這提供了更強的演化推力,將細菌推向自營性。

論文作者認為生物反應爐的採用可以大大提升把新陳代謝反應重新接線的成功率。
The feedback that chemostats inherently implement keeps the surrogate substrate at very low concentrations, and thus maintains a continuously strong selective pressure to integrate the non-native pathway (Sonderegger and Sauer, 2003, Marlière et al., 2011, Wides and Milo, 2018).


當然,這研究是結合了之前許多人的研究成果的。
Volpers等人在2016用電腦模擬證明了卡爾文循環的整套搬移在理論上是可行的,從研究自營菌的科學家那邊弄到了關鍵性的NAD +偶聯甲酸脫氫酶,從釀造工業那邊借來了生物反應爐的概念.....

這篇研究的出色之處在於把這些小零件拼起來,串成一個可以運作的合成生物。並且提供了一套可以重複的SOP,以後如果要把大腸桿菌,比方說變成靠甲烷取得能量,也能按表操課,從甲烷自營菌那邊A來需要的酵素,如法炮製一遍。

參考資料:
將大腸桿菌轉化成使用CO2合成他所有生物量的合成生物。
Conversion of Escherichia coli to Generate All Biomass Carbon from CO2
CELL Shmuel Gleizer Roee Ben-Nissan Yinon M. Bar-On Melina Shamshoum Arren Bar-Even 5
Ron Milo 2019.
全文開放授權 下載網址:https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.11.009


在電腦中模擬拼裝一個合成的自營性光合作用代謝路徑
Integrated In Silico Analysis of Pathway Designs for Synthetic Photo-Electro-Autotrophy.
Volpers 2016


【微生物】大腸桿菌成為自營生物之路
這是上一次有人挑戰這個問題,那時候只成功一半。因為這種大腸桿菌還是需要丙酮酸生長的半吊子。

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