Cell重大成果：对生物进行重编程

　　2016年06月25日讯 Weizmann科学研究所的一个研究小组最近“重编程”一种存在于食物链较顶端，消耗糖类和释放CO2的生物，使得它消耗环境中的CO2，生成了它构建自身的体块所需的糖类。他们的研究论文发布在6月23日的《细胞》（Cell）杂志上。

　　这个星球上的所有生命都以这样或那样的方式依赖着一个叫做碳固定的过程：植物、藻类和某些细菌能够从环境中“抽吸”二氧化碳（CO2），加上太阳能或其他的能源将它转变为糖类。在食物链的顶端，不同的生物体利用相反的生存手段：它们吃掉糖类，然后释放CO2到空气中。这种生长方法称作为“异养”。当然，从生物学意义上讲人类也是异养生物，因为他们消耗的食物来源于非人类生产者的碳固定过程。

　　那么是否有可能“重编程”一种存在于食物链较顶端，消耗糖类和释放CO2的生物，使得它消耗环境中的CO2，生成它构建自身的体块所需的糖类呢？这正是Weizmann科学研究所的一个研究小组最近所做的工作。他们的研究论文发布在6月23日的《细胞》（Cell）杂志上。

　　在Weizmann科学研究所植物与环境科学系Ron Milo教授实验室中领导这项研究的Niv Antonovsky说，能够提高碳固定对于我们应对未来挑战的能力至关重要，例如需要在利用较少矿物燃料的同时为正在缩小的土地资源上不断增长的人口提供食物。

　　研究所的科学家们通过将碳固定和糖生成（所谓的卡尔文循环）的代谢信号通路插入到大肠杆菌--已知吃掉糖类并释放CO2的一种“消费者”生物中，接受了这一挑战。

　　这一碳固定代谢信号通路众所周知，Milo和他的研究小组认为，通过适当的规划，他们将能够把包含有构建这一代谢信号通路信息的一些基因添加到大肠杆菌基因组中。然而在植物中用于固定碳的主要酶RuBisCO，利用了一种对细菌细胞有毒的代谢物作为CO2固定反应的一种底物。因此，这样的设计必须考虑精确调控这一多步骤信号通路各种基因的表达水平。

　　在某种意义上讲该研究团队制定周密的计划取得了极大的成功：细菌确实生成了这些碳固定酶，并且它们是具有功能的。但总的来说，这一机器没有“完成工作。”尽管表达这一碳固定机器，细菌却无法利用CO2来合成糖类，转而依赖外部供应的糖类。Antonovsky说：“当然，我们面对的是一个已进化数百万年消耗糖类，而非CO2的生物体，因此我们求助于进化帮助我们构建我们想要的系统。”

　　Antonovsky、Milo和研究小组接下来设计了称作为“恒化器”的大容器，他们在其中培育细菌，逐步吊起它们想吃CO2的欲望。最初，与CO2气泡一起，这一容器中的细菌还被供给大量的丙酮酸和仅仅够维持生存的糖类。由此，通过转变它们的环境条件并给它们加压，科学家迫使细菌通过适应和发展学会了利用环境中更丰富的材料。一个月过去了，事物保持相当的静态。细菌似乎没有“获得暗示”。但在大约一个半月时，一些细菌显示出不只是“生存”的迹象。到三个月时，科学家们能够让进化的细菌脱离糖类，用CO2和丙酮酸喂养它们。同位素标记CO2分子揭示出，细菌确实利用了CO2来生成相当一部分的体块，包括生成细胞所需的所有糖类。

　　当研究人员测序进化细菌的基因组时，发现细菌染色体散布许多的改变。Milo说：“它们完全不同于我们预计的。我们花费了两年的时间通过艰苦的研究工作了解了其中哪些是必不可少的，揭示出了与它们进化相关的‘逻辑’。”重复这项试验为科学家们提供了必要的线索，鉴别出了改变大肠杆菌的饮食从基于糖类到利用CO2必需的突变。

　　Milo说：“能够编程或重新构建大肠杆菌来固定碳，为研究人员研究并改善这一基础过程提供了一个新工具。”尽管当前这一细菌将CO2释放回了空气中，研究小组想象在未来他们的见解或许可以用来构建出一些微生物吸收空气CO2，将其转化为储存能量或获得具有碳固定信号通路，由此产量增高，更好地适应供养人类的农作物。

　　光合作用是光合生物利用太阳能将CO2和水转化为有机物并释放出氧气的过程，为地球上异养生命体的繁衍提供了物质保障。2016年5月20日，Molecular Plant 杂志在线发表了中国科学院的研究成果。该研究通过解析Rubisco乙酰化修饰对其活力调控的分子机理，揭示了植物光合碳代谢效率适应体内能量状态的调控新机制（上海生科院揭示光合碳代谢效率调控新机制）。

　　近年来，大气中的二氧化碳（CO2）水平在持续升高。这种环境在多种植物中引起了全面的代谢改变。CO2不仅为光合作用提供碳，也是调控气孔运动的重要环境信号，控制着植物水分关系和碳代谢。2015年，首都师范大学、加州大学等机构的研究人员对拟南芥进行了深入研究，揭示了植物保卫细胞感知CO2信号的核心通路。

　　一般都知道植物在光合作用中吸收CO2，排放O2，因此一些研究人员就“理所当然”的认为增加植物周围环境的CO2的浓度，可以提高植物的生长速度，并且排放出更多的O2，这样有助于环境保护。但是，通过瑞士巴塞尔大学的科学家们的研究，证明人工的增加CO2在实验的四年当中并没有提高植物的生长速度。