【微生物】大腸桿菌成為自營生物之路
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。
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。
