【微生物】大腸桿菌成為自營生物之路

2013424184816734撰文|葉綠舒

住在我們腸子裡的大腸桿菌也可以變成自營生物(autotroph),也就是:吸入二氧化碳、製造醣類嗎?理論上看來似乎是可行的。怎麼說呢?原來,若以植物的卡爾文循環(Calvin cycle)來看,大腸桿菌其實是「萬事具備,只差兩個東風」喔!

這兩個東風是:RuBisCO(ribulose 1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase)與prk(phosphoribulokinase)。

RuBisCO負責卡爾文循環的第一個反應,把二氧化碳抓下來,跟五碳的核酮糖1,5-二磷酸(RuBP)結合,產生兩個三碳的甘油醛-3-磷酸(G3P);而prk負責完成卡爾文循環的最後一個反應,把核酮糖5-磷酸(ribulose 5-phosphate)再加上一個磷酸根,成為RuBP。

大腸桿菌成為自營生物之路。圖片來源:Cell
大腸桿菌成為自營生物之路。圖片來源:Cell

所以,是不是只要把RuBisCO與prk放進去就萬事OK了呢?理論上是的,不過為了保險起見,來自以色列的研究團隊還是先利用電腦模擬大腸桿菌的代謝,看看有沒有什麼方法可以提高成功率。電腦模擬建議研究團隊要把一個酵素:phosphoglycerate mutase(gpm)給剔除。gpm負責將2-磷酸甘油酯(2-phosphoglycerate)與3-磷酸甘油酯(3-phosphoglycerate)互相轉換。將它剔除以後,大腸桿菌就會被迫放棄使用丙酮酸(pyruvate)來進行醣類新生作用(gluconeogenesis),一定要把3-磷酸甘油酯導入卡爾文循環的途徑,否則大腸桿菌便無法存活。然後,研究團隊再把RuBisCO與prk加入。

理論上,既然萬事具備,我們的半自營大腸桿菌(hemiautotrophic E. coli)應該可以在只有二氧化碳與丙酮酸的狀況下快樂成長了吧?可是...這樣的大腸桿菌,還是無法吸收二氧化碳來過活!如果不給它吃木糖(xylose),它說不長就不長!

既然用了電腦模擬還是無法成功,表示即使是「簡單」如大腸桿菌,還是有許多我們不了解的部分;於是研究團隊決定把剩下的事交給自然之手:將這個大腸桿菌再拿掉兩個酵素:葡萄糖6-磷酸去氫酶(glucose 6-phosphate dehydrogenase,G6PD),以及果糖磷酸激酶(phosphofructokinase,PFK)。把G6PD拿掉,它的磷酸五碳糖途徑(pentose phosphate pathway,PPP)便完全無法作用,於是它就不能利用PPP來氧化六碳糖;拿掉PFK則使大腸桿菌非要使用RuBisCO來把木糖(五碳糖)變成六碳糖。接著再加入碳酸酐酶(carbonic anhydrase),它可以幫忙讓更多的二氧化碳溶解到水中。

接著,研究團隊把這隻傷痕累累的大腸桿菌放在只有少少的木糖(每公升0.1克,在如M9這種最小培養基裡面,醣類的濃度也還有每公升0.4克)、很多的二氧化碳(0.25大氣壓)與丙酮酸(每公升5克)的狀況下培養。在這樣的狀況下,因為糖很少,大腸桿菌長得很慢很慢...慢到從一般的20到40分鐘就可以複製一次,變成每九個小時複製一次(大腸桿菌OS:我只是很辛苦的活著而已...)。

為了要讓大腸桿菌感覺到生存危機,雖然木糖的濃度已經很低了,研究團隊還是讓木糖的濃度逐步下降到完全沒有(大腸桿菌OS:救命啊!)。

從第一天到第四十天(大約是從第一代到第一百代),大腸桿菌一直在苦撐;但從第四十天開始,大腸桿菌的濃度開始慢慢上昇(咦!);等到了第六十天的時候,他們發現,丙酮酸的濃度低到測不出來。這只能表示一件事發生了,那就是:

可以過著半自營生活的大腸桿菌已經橫空出世了!

為了確認實驗沒有弄錯,研究團隊將帶有RuBisCO與prk的質體去掉,結果這大腸桿菌就沒辦法利用丙酮酸、又要靠吃木糖過活了。接著研究團隊又拿碳13標定的二氧化碳餵給它吃,發現所產生的糖都帶有碳13標定。也就是說,這新種的大腸桿菌,的確可以吃掉二氧化碳與丙酮酸,產生自己可以用的糖。

接著研究團隊就要來檢查基因序列,看看到底哪裡發生突變啦!檢查的結果發現,這個橫空出世的大腸桿菌有一個主要的突變:prs。

prs的全名是ribose-phosphate diphosphokinase,它負責催化核酮糖5-磷酸轉化為磷酸核糖焦磷酸(phosphoribosyl pyrophosphate,PRPP)。

研究團隊做了三次的演化實驗,三次所得到的大腸桿菌都不約而同的帶有prs突變;而且這三個prs突變都一樣造成它催化反應的速率變低,使更多的核酮糖5-磷酸可以留在卡爾文循環裡。

這樣就可以讓於是大腸桿菌就可以成為半自營菌(hemiautotroph)了嗎?其實並沒有,科學家們發現,如果把這個突變後的prs基因送回去一開始的老祖宗體內,老祖宗還是沒辦法光靠著吸收二氧化碳與吃丙酮酸過活。研究團隊接著仔細比對這幾次演化的結果,發現除了prs突變之外,其實還需要至少三個基因發生突變,我們的大腸桿菌才能過著半自營的生活。

之所以說半自營而不是自營,是因為這大腸桿菌還是要我們餵給它丙酮酸;比起植物只需要吸入二氧化碳,這大腸桿菌還是遜多了!可見,想要有一天大家只要在外面曬曬太陽就吃飽了的生活,恐怕只有等下輩子轉世當植物才做得到吧!

參考文獻:Niv Antonovsky et. al., Sugar Synthesis from CO2 in Escherichia coli, Cell (2016), http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2016.05.064

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作者:葉綠舒 慈濟大學生命科學系助理教授,科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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