以色列的研究人員創造了一種全新的大腸桿菌菌株，這種菌株是以消耗二氧化碳作為能源，而不是常規的有機化合物。這一合成生物學的壯舉再一次展示了細菌新陳代謝的驚人可塑性，這一成果也為未來的碳中立生物生產（carbon-neutral bioproduction）提供了框架。
相關研究發現發表在11月27日的Cell雜誌上。
「我們的主要目標是建立一個方便的科學平臺，增強對二氧化碳的固定，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，」文章作者，魏茨曼科學研究所系統生物學家Ron Milo說，「將生物技術的主要模型大腸桿菌的碳源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。」
現實世界上的生物可以分為兩類：自養生物（有機碳轉化為生物量）和異養生物（消耗有機化合物）。自養生物控制著地球上的生物量，並供應我們許多食物和燃料。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至關重要。
合成生物學的一個巨大挑戰是在讓異養模式生物變成合成自養。儘管人們對可再生能源存儲和可持續食品生產產生了廣泛興趣，但是過去工業設計的異養模式生物都是使用CO2作為唯一碳源，而在異養模式生物中建立自催化CO2固定循環的嘗試也總是失敗。
在這篇Cell論文中，研究人員利用新陳代謝重分配，和實驗室進化將大腸桿菌轉化為自養生物。這種新的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，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。他們讓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xylose（一種有機碳的來源）在恆化器中生長細胞，抑制異養途徑。最初供應約300天的xylose，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。
在這種環境中，與依賴xylose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分離出的細菌是真正的自養細菌，即二氧化碳，而不是xylose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，這很困難，需要大量的思考和精巧的設計，」Milo說。
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。其中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。
作者表示：「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植物的技巧。當我們開始定向進化過程時，實際上並無把握。」
「這一壯舉是概念證明的有力證據，為利用工程細菌將我們視為廢物的產品轉化為燃料，食品或其他感興趣的化合物開闢了令人振奮的新前景。它還可以作為一個平臺，有助於更好地理解和改善作為人類糧食生產基礎的分子機器，從而在將來幫助提高農業產量。」