在幾個月的過程中，以色列的研究人員創造了大腸桿菌菌株，該菌株消耗二氧化碳作為能源，而不是有機化合物。合成生物學的這一成就凸顯了細菌新陳代謝的驚人可塑性，並可以為未來的碳中和生物生產提供框架。該作品於11月27日發表在《細胞》雜誌上。
「我們的主要目標是建立一個方便的科學平臺，以增強對二氧化碳的固定，這可以幫助解決與可持續生產食品和燃料以及二氧化碳排放引起的全球變暖有關的挑戰，」該系統生物學家Ron Milo說。魏茨曼科學研究所。「將大腸桿菌的碳源(生物技術的主要力量)從有機碳轉化為二氧化碳是邁向建立這樣一個平臺的重要一步。」
現實世界分為自養生物和將有機碳轉化為生物質的自養生物和消耗有機化合物的異養生物。自養生物控制著地球上的生物量，並供應我們的許多食物和燃料。更好地理解自養生長的原理和促進自養生長的方法對於實現可持續發展的道路至關重要。
合成生物學的一個巨大挑戰是在模型異養生物體內產生合成自養。儘管人們對可再生能源存儲和更可持續的食品生產產生了廣泛興趣，但是過去設計工業相關異養模式生物以使用CO2作為唯一碳源的努力一直失敗。先前在模型異養生物中建立自催化CO2固定循環的嘗試總是要求添加多碳有機化合物以實現穩定的生長。
第一作者Shmuel Gleizer(@GleizerShmuel)說：「從基本的科學角度來看，我們想看看細菌飲食中的這種重大轉變-從依賴糖到從二氧化碳中合成所有生物質都是可能的。」 ，魏茨曼科學研究所博士後。「除了在實驗室測試這種轉化的可行性外，我們還想知道細菌DNA藍圖的變化需要多麼極端的適應。」
在細胞研究中，研究人員利用新陳代謝的重新布線和實驗室進化將大腸桿菌轉化為自養生物。工程菌株從甲酸鹽中收集能量，甲酸鹽可通過可再生資源電化學產生。因為甲酸鹽是一種有機一碳化合物，不能用作大腸桿菌的碳源，所以它不支持異養途徑。研究人員還對該菌株進行了工程改造，以產生用於碳固定和還原以及從甲酸中收集能量的非天然酶。但是僅憑這些變化不足以支持自養，因為大腸桿菌的代謝適應了異養生長。
為了克服這一挑戰，研究人員將適應性實驗室進化作為一種代謝優化工具。他們使參與異養生長的中央酶失活，使細菌更依賴自養途徑生長。他們還利用有限數量的糖木糖(一種有機碳的來源)在恆化器中生長細胞，以抑制異養途徑。最初供應約300天的木糖對支持足夠的細胞增殖以啟動進化至關重要。該化學恆溫器還包含大量的甲酸鹽和10%的CO2氣氛。
在這種環境下，與依賴木糖作為生長碳源的異養生物相比，自養生物具有很大的選擇性優勢，這些自養生物由二氧化碳作為唯一碳源生產生物質。研究人員使用同位素標記證實了進化出的分離細菌是真正的自養細菌，即二氧化碳，而不是木糖或任何其他有機化合物支持細胞生長。
「為了使實驗室進化的通用方法成功，我們必須找到一種方法，將所需的細胞行為變化與適應性優勢相結合，」 Milo說。「這很困難，需要大量的思考和精巧的設計。」
通過對進化的自養細胞的基因組和質粒進行測序，研究人員發現在化學恆溫器的進化過程中僅獲得了11個突變。一組突變影響編碼與碳固定循環相關的酶的基因。第二類是在以前的自適應實驗室進化實驗中通常觀察到突變的基因中發現的突變，這表明它們不一定對自養途徑具有特異性。第三類是未知基因的突變。
Gleizer說：「這項研究首次描述了細菌生長方式的成功轉化。教導腸道細菌做一些以植物聞名的技巧。」「當我們開始定向進化過程時，我們對成功的機會一無所知，而且文獻中也沒有先例來指導或暗示這種極端轉變的可行性。此外，最後看到相對較小進行這種轉變所需的基因改變的數量令人驚訝。」