"Mục đích chính của chúng tôi là xây dựng nền tảng khoa học thuận tiện để tăng cường cố định CO2, giúp giải quyết các thách thức liên quan đến sản xuất thực phẩm và nhiên liệu bền vững và tình trạng nóng lên toàn cầu do khí thải CO2", Ron Milo, nhà sinh học hệ thống tại Viện khoa học Weizmann và là đồng tác giả nghiên cứu nói. "Chuyển đổi nguồn cacbon của E. coli, đặc trưng của công nghệ sinh học, từ cacbon hữu cơ thành CO2 là một bước quan trọng hướng đến xây dựng nền tảng này".
Thế giới của sự sống được chia thành sinh vật tự dưỡng biến đổi CO2 vô cơ thành sinh khối và sinh vật dị dưỡng tiêu thụ các hợp chất hữu cơ. Các sinh vật tự dưỡng chi phối sinh khối trên Trái đất và cung cấp phần lớn thực phẩm và nhiên liệu cho con người. Hiểu rõ hơn các nguyên tắc sinh trưởng tự dưỡng và các phương pháp để tăng cường nó là rất quan trọng cho con đường đến sự bền vững.
Thách thức lớn trong sinh học tổng hợp là tạo ra khả năng tự dưỡng tổng hợp trong một sinh vật dị dưỡng kiểu mẫu. Dù vấn đề tích trữ năng lượng tái tạo và sản xuất thực phẩm bền vững hơn được quan tâm nhiều, nhưng nỗ lực trước đây để tạo ra các sinh vật mô hình dị dưỡng liên quan đến công nghiệp nhằm sử dụng CO2 làm nguồn cacbon duy nhất đã thất bại. Những nỗ lực trước đây để thiết lập chu trình cố định CO2 tự động trong các sinh vật dị nguyên mô hình luôn đòi hỏi phải bổ sung các hợp chất hữu cơ đa cacbon để đạt mức sinh trưởng ổn định.

Trong nghiên cứu, các nhà khoa học đã sử dụng quá trình tái tạo trao đổi chất và tiến hóa trong phòng thí nghiệm để biến E. coli thành dạng tự dưỡng. Chủng khuẩn được biến đổi khai thác năng lượng từ formate, có thể được sản xuất điện hóa từ các nguồn tái tạo. Do formate là hợp chất hữu cơ chứa một cacbon không đóng vai trò là nguồn cacbon cho sự phát triển của E. coli, nên nó không hỗ trợ các con đường dị dưỡng. Các nhà nghiên cứu cũng biến đổi chủng này để tạo ra các enzyme không bản địa nhằm mục tiêu cố định và giảm cacbon và để khai thác năng lượng từ formate. Nhưng chỉ riêng những thay đổi này không đủ để hỗ trợ tính tự dưỡng vì quá trình trao đổi chất của E. coli thích nghi với tăng trưởng dị dưỡng.

Để vượt qua thách thức này, các nhà nghiên cứu đã chuyển sang tiến hóa thích nghi trong phòng thí nghiệm như một công cụ tối ưu hóa trao đổi chất. Họ đã bất hoạt các enzyme liên quan đến sự tăng trưởng dị dưỡng, khiến vi khuẩn phụ thuộc nhiều hơn vào con đường tự dưỡng để sinh trưởng. Ngoài ra, các nhà khoa học còn phát triển các tế bào trong hóa chất chemostat với nguồn cung xyloza đường hạn chế - một nguồn cacbon hữu cơ ức chế các con đường dị dưỡng. Việc cung cấp xyloza ban đầu trong khoảng 300 ngày là cần thiết hỗ trợ đủ cho sự tăng sinh tế bào để bắt đầu tiến hóa. Chemostat cũng chứa nhiều formate và 10% CO2.

Trong môi trường này, lợi thế lớn đối với sinh vật tự dưỡng là tạo ra sinh khối từ CO2 như nguồn cacbon duy nhất, trong khi các sinh vật dị dưỡng phụ thuộc vào xyloza như một nguồn cacbon để sinh trưởng. Sử dụng phương pháp dán nhãn bằng đồng vị, các nhà nghiên cứu đã xác nhận rằng vi khuẩn phân lập tiến hóa thực sự ở dạng tự dưỡng, tức là CO2 và không phải là xyloza hoặc bất kỳ hợp chất hữu cơ nào khác hỗ trợ sự tăng trưởng của tế bào.

Bằng cách lập trình tự bộ gen và plasmid của các tế bào tự dưỡng tiến hóa, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng chỉ có 11 đột biến được thu nhận thông qua quá trình tiến hóa trong chemostat. Một tập hợp đột biến đã ảnh hưởng đến các gen mã hóa các enzyme liên kết với chu trình cố định cacbon. Loại thứ hai gồm các đột biến được phát hiện trong các gen thường được quan sát là bị đột biến trong các thí nghiệm tiến hóa trong phòng thí nghiệm thích nghi trước đó, cho thấy chúng không nhất thiết phải theo con đường tự dưỡng. Loại thứ ba bao gồm các đột biến trong gen không có vai trò đã biết.
Các tác giả cho rằng hạn chế của nghiên cứu là việc tiêu thụ formate của vi khuẩn giải phóng nhiều CO2 hơn mức được tiêu thụ thông qua cố định cacbon. Ngoài ra, cần nghiên cứu thêm trước khi thảo luận việc mở rộng phương pháp này để sử dụng trên quy mô công nghiệp.

Trong tương lai, các nhà nghiên cứu đặt mục tiêu cung cấp năng lượng thông qua điện tái tạo để giải quyết vấn đề giải phóng CO2, xác định xem liệu các điều kiện môi trường khí quyển có hỗ trợ tính tự dưỡng và giảm các đột biến có liên quan nhiều nhất đến tăng trưởng tự dưỡng hay không.