近日，据《Cell》杂志上的一项研究报道，以色列的研究人员创造出了一种新型大肠杆菌菌株，该菌株消耗二氧化碳作为能源，而不是有机化合物。这一成就凸显了细菌新陈代谢的惊人可塑性，并为未来的碳中和生物生产提供框架。
在这项研究中，研究人员的主要目标是建立一个方便的科学平台，以增强对二氧化碳的固定，这可以帮助解决与可持续生产食品和燃料以及二氧化碳排放引起的全球变暖等有关问题。大肠杆菌作为生物技术的主要力量，将其碳源从有机碳转化为二氧化碳是迈向建立这样一个平台的重要一步。
因此，研究人员利用新陈代谢的重新布线和实验室进化将大肠杆菌转化为自养生物。工程菌株从可再生资源电化学产生的甲酸盐中收集能量，因为甲酸盐是一种有机一碳化合物，不能作为大肠杆菌的碳源，所以不支持异养途径。研究人员还对该菌株进行了工程改造，以产生用于碳固定和还原以及从甲酸中收集能量的非天然酶。但是，仅凭这些变化不足以支持自养，因为大肠杆菌的代谢适应了异养生长。
为了克服这一难题，研究人员将适应性实验室进化作为一种代谢优化工具。通过将参与异养生长的中央酶失活，使细菌更依赖自养途径生长，还利用有限数量的木糖（有机碳的来源）在包含大量甲酸盐和10％二氧化碳的化学恒温器中培养细胞，以抑制异养途径。最初供应约300天的木糖可足够支持细胞增殖以启动进化。
在这种环境中，与依赖木糖作为生长碳源的异养生物相比，自养生物具有很大的选择性优势，它们将二氧化碳作为唯一碳源生产生物质，研究人员使用同位素标记证实了分离出的细菌是真正的自养细菌。
使用13C的同位素标记实验表明，所有生物质组分均由二氧化碳作为唯一碳源产生
为了使实验室进化的通用方法成功，研究人员必须将所需的细胞行为变化与适应性优势相结合。通过对进化的自养细胞的基因组和质粒进行测序发现，在进化过程中仅获得了11个突变：一类突变是影响编码与碳固定循环相关的酶的基因；第二类是在以前的自适应实验室进化实验中通常观察到突变的基因中发现的突变，这表明它们不一定对自养途径具有特异性；第三类是未知基因的突变。 这项研究首次描述了细菌生长方式的成功转化，使得肠道细菌以类似植物的方式生存。令人惊讶的是，进行这种转变所需基因改变的数量相对较小。
