基因编辑创造新生物─缓解气候变迁的希望？

文:楊燕菱 / 聚和國際 R&D

攝影師：Pixabay: https://www.pexels.com/zh-tw/photo/221012/

在气候变化中起作用最大的其中两个因素是二氧化碳CO2和甲烷Methane的增加，而这两者都是一个碳源的化合物。从CO2和甲烷可衍生出甲醇。甲醇现在已被大规模作为工业原料在使用。如果未来甲醇可作用为生物原料使用，这样或许可缓慢气候的恶化（图1）。
 

(图1)

天然界中的甲基营养性生物Methylotrophs是透过磷酸核酮糖途径 (Ribulose Monophosphate Pathway, RuMP) 或丝氨酸循环（Serine Cycle）进行甲醇的转化与利用。其中，参与RuMP的蛋白酶与异营性生物Heterotrops的典型糖代谢的蛋白酶类同，仅有这三种蛋白酶Methanol dehydrogenase (Medh)， Hexulose-6-phosphate synthase (Hps) 和6-phospho-3-hexuloisomerase (Phi)只出现于RuMP途径。因此，如果可以让这三种蛋白酶在异营性生物中表达，或许就制造出人工合成甲基营养性生物 (Synthetic methylotrophs)。

以此作为主要的目的，中研院院长廖俊智院士的研究团队透过基因编辑把异营性生物的大肠杆菌改良为甲基营养性生物。首先，作者把以上这三种蛋白酶相关的基因序列以病毒感染的方式带入大肠杆菌。经过了20次的续代培养，进化的CFC381.20大肠杆菌可在48 小时内，于含有400mM 甲醇和20mM木糖的最低营养素培养基 (minimal medium, MM) 中从OD600增长0.1至1.0 。但后来发现此菌株却无法在只有甲醇的情况下生长。
 

团员们透过模拟分析法Ensemble Modeling for Robustness Analysis (EMRA)去比较天然和其相关的代谢途径，再由此去测试人工合成菌株中的各个酵素的稳固性（robustness）。除此以外，利用此分析法也解决了前期长时间培养所引发的 DNA-Protein Crosslinking（DPC）而导致细胞死亡之相关问题。


透过关键酵素的调控，作者最终成功培养出甲基营养性的大肠杆菌株SM1 strain。 SM1 strain不止能够维持胞内代谢的平衡，也可利用甲醇作为唯一的生长碳源，于浓度400mM下达到最佳的生长率，倍增时间成功缩短至8小时。透过消耗甲醇后的主要产出物为甲酸盐formate和醋酸盐acetate（图2）。
 

(图2)

最后，作者表示因大肠杆菌基因的易处理性，未来有更多的可能性可透过基因编辑技术去做各式各样的变化，并产出具有高价值的含碳化合物。例如，把大肠杆菌生长所需的唯一碳源改为甲烷等变化。
 

Source:

Chen et. al., Converting escherichia coli to a synthetic methylotroph growing solely on methanol. Cell. Retrieved September 27, 2022, from https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32780992/

Definition：

1. 异营性生物Heterotrophs：无法利用二氧化碳作为碳源，而需要有机物作为碳源的生物
2. 甲基营养性生物Methylotrophs：又称为甲基利用菌，是一群能够利用一碳甲基化合物作为碳源和能源进行生长的革兰氏阴性细菌