吃的是氣，吐的是糖，最新黑科技讓細菌變身「二氧化碳收割機」

知識 06-30

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生命的表象是多元的，生命的本質卻是統一的。地球上所有生物的生命過程，都直接或間接的參與固碳反應（carbonfixation）：植物、藻類和某些細菌從環境中汲取二氧化碳與太陽能（或其他能量），合成生命所需的糖類。高等生物則相反：從植物或微生物攝入糖分，排出二氧化碳。高等生物自以為站在食物鏈頂端，但在自然法則里，並無高下之分，它們不過是異養生物。人類也一樣，作為異養生物，不能直接參与固碳反應，只能從其它生物中獲取現成的糖分。

那麼，高等生物有沒有可能「自給自足」？也就是說重新編輯異養生物，使它們可以從環境中吸收二氧化碳併合成糖分供自己消耗？科學家的腦洞總是足夠大，在魏茨曼科學研究所（WeizmannInstitute of Science）羅恩·米羅（Ron Milo）教授的實驗室中，尼瓦·安東諾維斯基（Niv Antonovsky）博士正在進行該項研究。目前，全球人口在增加，而可耕種土地卻在銳減。尼瓦認為，固碳技術可以幫我們應對未來的環境挑戰。

研究人員將固定碳與合成糖的代謝通路信號插入到大腸桿菌。因為大腸桿菌屬於吸收糖分的「消費者」，所以它是理想的實驗對象。

碳固定的代謝通路信號已經廣為人知了，米羅的研究小組認為，如果設計得當就可以將碳固定基因加入到大腸桿菌的染色體組內。而固碳反應的關鍵代謝產物1,5-二磷酸核酮糖羧化酶（RuBisCO）對大腸桿菌是有毒的，所以在設計過程中，必須同時精確限制某些基因的表達。

在某些方面，米羅的研究小組深思熟慮的計劃還是很成功的：大腸桿菌合成了有效的固碳酶。但是從實驗整體來講，並沒有達到預期目標。雖然固碳基因有效表達了，但大腸桿菌並不合成糖類，還是從外部攝取糖分以維持生存。「這很正常，因為數百萬年來大腸桿菌都是食糖生物，想讓它們突然吸收二氧化碳很困難。」安東諾維斯基說，「所以我們轉向進化的方法來創造理想的系統。」

之後，米羅、安東諾維斯基和研究團隊設計了一個「恆化器」（chemostats）。他們在恆化器中培育了大腸桿菌，逐步吸引細菌對二氧化碳的「食慾」。起初，研究人員在恆化器中加入大量二氧化碳和丙酮酸（能量源），同時還添加了少量糖類來維持細菌的生命。科學家希望通過改變大腸桿菌的生存環境迫使它們適應新環境，學會利用環境中的有限資源。

一個月過去了，實驗並沒有什麼進展，大腸桿菌的「悟性」似乎不太高。一個半月之後，一些大腸桿菌開始有點「參透」生存的機密了。到了第三個月，科學家決定給大腸桿菌「斷奶」，他們把大腸桿菌放到只有二氧化碳和丙酮酸的環境中。研究人員對空氣中的二氧化碳進行同位素示蹤，結果顯示細菌已經利用二氧化碳合成機體的重要組成部分了，包括構成細胞的所有糖類成分。

之後科學家對進化細菌的基因進行了測序，發現它們的染色體發生了很多變化。「這和我們預期的結果大相徑庭，」米羅說，「我們花了兩年時間去搞懂哪些變化是必要的，同時破解了細菌的進化『邏輯』。」科學家又花了幾個月重複實驗，終於發現了將「食糖」細菌轉變為「食碳」細菌所需的「必要突變」。

米羅說：「大腸桿菌的基因重組實驗可以作為參考，幫助科學家進一步實現高等生物固碳能力。」當然，目前的大腸桿菌還是吃進去的是糖，吐出來的是二氧化碳，但米羅的研究團隊設想，在可預見的未來可以將團隊的實驗方法應用於微生物，使它們可以利用二氧化碳儲存能量，或者可以利用該方法增強農作物的固碳能力，提高作物產量。

果真如此，全球食物問題必將得到極大改善。

植物有被搶飯碗的風險，不知道它們有沒有壓力。

來源：Weizmann Institute of Science 編譯：孫小彪

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