神奇細(xì)菌，讓你意想不到

劉雯

科學(xué)家已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中培育出了種種有益細(xì)菌，可以幫助我們清除污染、回收廢物、再生能源和保持身體健康等。

我們正面臨危機(jī)：人類對(duì)化石燃料的過(guò)度依賴以及對(duì)高碳足跡食物的偏好正在持續(xù)導(dǎo)致環(huán)境的惡化和全球變暖，陸地和海洋被大量的一次性塑料污染，已對(duì)抗生素免疫的致病菌也正威脅著公共健康。

好消息是：可以通過(guò)把二氧化碳從大氣中分離出來(lái)以延緩全球變暖;可以不需要排放大量碳也能生產(chǎn)出高質(zhì)量的蛋白質(zhì);污染問(wèn)題和細(xì)菌耐藥性問(wèn)題也有了對(duì)策。以上這些潛在的突破都基于一個(gè)共同要素——細(xì)菌。雖然聽上去不太靠譜，但我們未來(lái)的健康和幸?？赡芏家蛇@些不起眼的微生物來(lái)保障。

能治愈疾病的細(xì)菌

細(xì)菌可能危害健康，引發(fā)肺結(jié)核和霍亂等致命疾病。為了對(duì)抗致病菌，20世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一——青霉素被廣泛使用，在過(guò)去80年中拯救了約2億人的生命。但除了有害，細(xì)菌也可以是人類的“友軍”。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌大量存在于人皮膚表面和腸道內(nèi)，數(shù)量以億萬(wàn)計(jì)。好細(xì)菌不僅將食物轉(zhuǎn)化成能量，還能抵御會(huì)致病的壞細(xì)菌入侵，因?yàn)楫?dāng)好細(xì)菌完全占據(jù)腸道后，壞細(xì)菌自然就沒有“立足之地”了。但有時(shí)人為干預(yù)卻可能打破這種平衡。長(zhǎng)期使用抗生素會(huì)導(dǎo)致腸道中一部分好細(xì)菌也被殺滅，而艱難梭狀芽孢桿菌（簡(jiǎn)稱“艱難梭菌”）等致病壞細(xì)菌乘虛而入。感染艱難梭菌可導(dǎo)致腹瀉、惡心和發(fā)燒。

然而，過(guò)去幾十年的研究為治療艱難梭菌感染提供了一條新思路——糞便移植，即將健康志愿者的糞便樣本移植到患者的腸道中，利用樣本中的好細(xì)菌戰(zhàn)勝艱難梭菌，從而使患者腸道菌群恢復(fù)平衡。此外，糞便移植還有治療其他疾病的潛力?？茖W(xué)家研究了動(dòng)物和微生物間的相互作用，但現(xiàn)在還不清楚糞便樣本中究竟哪一種或哪些細(xì)菌對(duì)人的健康有好處。

另一方面，科學(xué)家已經(jīng)掌握了某些種類細(xì)菌（如大腸桿菌）的作用機(jī)制，因此能夠精準(zhǔn)地利用它們來(lái)治療疾病。大腸桿菌在人體內(nèi)很常見，且?guī)缀鯚o(wú)害?；谶^(guò)去幾十年的研究，科學(xué)家已經(jīng)充分了解了大腸桿菌的特性，并把它比作能治病的“可編程微型生物計(jì)算機(jī)”，這是因?yàn)榇竽c桿菌的一些益生菌菌株能找到惡性腫瘤，并在其中生長(zhǎng)。這讓它們成為靶向遞送腫瘤治療藥物的不二之選。

基于大腸桿菌“搜索”腫瘤的機(jī)制，科學(xué)家將一段外源DNA插入其細(xì)胞內(nèi)，使它們制造出強(qiáng)效的抗癌分子“納米抗體”。當(dāng)這種大腸桿菌尋找到腫瘤細(xì)胞并在其中增殖后，插入的另一段外源DNA使大腸桿菌“自爆”，從而將“納米抗體”釋放到周圍的腫瘤組織。也就是說(shuō)，一旦這種經(jīng)過(guò)加工的大腸桿菌進(jìn)入腫瘤患者體內(nèi)，它們就會(huì)自動(dòng)尋靶并消滅腫瘤?？茖W(xué)家已于2020年初對(duì)小鼠進(jìn)行了這方面試驗(yàn)并取得可喜結(jié)果。但出于倫理和安全性考慮，在開啟轉(zhuǎn)基因微生物的人體試驗(yàn)前還存在一些障礙，可能還需要啟動(dòng)一系列監(jiān)管程序。

可生產(chǎn)再生能源的細(xì)菌

細(xì)菌是杰出的化學(xué)家，它們不但能制造強(qiáng)大的抗癌藥物，還能生產(chǎn)大量的可再生燃料。2020年初，英國(guó)科學(xué)家斯克魯頓團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)研究展示了細(xì)菌的發(fā)電潛能。許多細(xì)菌都含有一種成纖維細(xì)胞激活蛋白（簡(jiǎn)稱“FAP”，是一種具有催化作用的酶），他們對(duì)FAP進(jìn)行了修飾。經(jīng)修飾的FAP能通過(guò)發(fā)酵來(lái)分解人類食物殘?jiān)?，并產(chǎn)生丙烷氣體。丙烷氣體一般可用作交通運(yùn)輸、家用取暖和烹飪的燃料。

上述研究已經(jīng)具備一定的商業(yè)價(jià)值，但科學(xué)家又通過(guò)把經(jīng)修飾的FAP插入鹽單胞菌中使它們發(fā)電，這有望大規(guī)模應(yīng)用于工業(yè)。鹽單胞菌是少數(shù)能在較高濃度鹽水中生存的細(xì)菌之一。目前，大多數(shù)工業(yè)發(fā)酵設(shè)備由鋼鐵制成，在使用前必須進(jìn)行嚴(yán)格的殺菌，以確保發(fā)酵罐中沒有壞細(xì)菌存在，以免降低發(fā)酵效率。而鹽單胞菌發(fā)酵有一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)：那就是除了它們本身，其他細(xì)菌不論好壞，幾乎都不能在鹽水中存活，采用鹽單胞菌可降低殺菌步驟的煩瑣程度和由此產(chǎn)生的高額成本。此外，鹽單胞菌的發(fā)酵過(guò)程甚至可在廉價(jià)的反應(yīng)器（如塑料容器）中進(jìn)行，因此發(fā)酵罐成本也大幅降低。

目前，除鹽單胞菌外，還有其他幾種利用細(xì)菌產(chǎn)生生物能量的方法。其中一種是利用“電活性”細(xì)菌“吞入”和“排出”電子的行為來(lái)發(fā)電。將一個(gè)電極放在地面上，如果環(huán)境適宜，“電活性”細(xì)菌就會(huì)開始圍繞電極生長(zhǎng)?？茖W(xué)家已花費(fèi)數(shù)年研究如伺利用這些“電活性”細(xì)菌來(lái)生產(chǎn)可再生能源。在2010年的一項(xiàng)試驗(yàn)中，科學(xué)家通過(guò)停止給卯形鼠孢菌提供食物（氫氣）來(lái)“餓死”它們，并轉(zhuǎn)而為它們提供充足的電子。他們讓卵形鼠孢菌適應(yīng)了以電子為食，并利用自身產(chǎn)生的電能將二氧化碳轉(zhuǎn)化為乙酸鹽?？茖W(xué)家把這個(gè)過(guò)程稱為“微生物電合成”。由此產(chǎn)生的乙酸鹽是一種具有商業(yè)價(jià)值的化學(xué)物質(zhì)，后續(xù)又可被制為塑料或生物燃料。而且，“微生物電合成”產(chǎn)生生物燃料的效率可能會(huì)超越農(nóng)業(yè)，因?yàn)樘?yáng)能可以為細(xì)菌供能。而這種直接利用太陽(yáng)能板來(lái)捕獲太陽(yáng)能給細(xì)菌供能的方法，比植物通過(guò)光合作用將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為有機(jī)物給細(xì)菌供能的方法來(lái)得快得多（例如，用油菜籽來(lái)生產(chǎn)生物燃料）。

2020年初，科學(xué)家還探索了另一種生產(chǎn)可再生能源的方法。該方法的關(guān)鍵是一種長(zhǎng)在電活性細(xì)菌表面的導(dǎo)電鞭毛。將這些鞭毛從細(xì)菌表面刮落，并把它們夾在兩片金導(dǎo)板中間，利用濕度差直接從空氣中獲取電能。這個(gè)簡(jiǎn)單裝置競(jìng)?cè)痪瓦@樣開始發(fā)電了。經(jīng)過(guò)計(jì)算，科學(xué)家推測(cè)，如果“空氣發(fā)電裝置”的尺寸夠大，其發(fā)電效率甚至可超過(guò)太陽(yáng)能電池板。而且，電磁板依賴于光照，而“空氣發(fā)電裝置”即使在夜晚也能穩(wěn)定輸出電能。

可凈化水質(zhì)的細(xì)菌

細(xì)菌是廢物的終極回收者。下水道污水對(duì)人類來(lái)說(shuō)是廢水，但對(duì)有些細(xì)菌來(lái)說(shuō)卻是美餐。這也是細(xì)菌在污水處理過(guò)程中扮演重要角色的原因。污水處理廠的主要“員工”是好氧細(xì)菌，這意味著必須用空氣泵不停地向污水中泵入空氣，才能為好氧細(xì)菌提供足夠的氧氣，從而持續(xù)分解污水中的廢物。而要使空氣泵持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，成本卻相當(dāng)高。

其實(shí)，污水處理廠的運(yùn)轉(zhuǎn)成本是可以降低的。科學(xué)家研發(fā)了一種新方法來(lái)凈化工業(yè)污水，同時(shí)能產(chǎn)生電能，且產(chǎn)生的電能比消耗的電能更多。理論上這是完全可行的。一方面，工業(yè)廢水中通常富含“養(yǎng)料”（如來(lái)自乳制品工廠的廢水通常富合碳水化合物和蛋白質(zhì)），它們本身就是一種能源物質(zhì)，而利用不需要消耗氧氣的細(xì)菌來(lái)分解水中的廢物，則可節(jié)省掉空氣泵的運(yùn)轉(zhuǎn)成本。具有“電活性”的細(xì)菌（如地桿菌和希瓦氏菌）一邊以水中廢物為食（分解廢物），一邊排出電子或其他帶電物質(zhì)（產(chǎn)生電能），一舉兩得。另一方面，產(chǎn)生的帶電物質(zhì)還能作為一種“產(chǎn)甲烷細(xì)菌”的食物，供它們把二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷，這樣又可為取暖和發(fā)電供能。

事實(shí)上，利用微生物治理廢水并同時(shí)發(fā)電的構(gòu)想早在一二十年前就形成了，但城市污水中的能源物質(zhì)很少，因此要將實(shí)驗(yàn)室方案成功轉(zhuǎn)化為商用系統(tǒng)并不簡(jiǎn)單。如果要產(chǎn)生足夠的發(fā)電量，那么需要處理的廢水量會(huì)非常巨大。而將微生物用于處理工業(yè)廢水就顯得合理得多，兇為工業(yè)廢水中含有比城市污水中更多的能源物質(zhì)。

可制造蛋白質(zhì)的細(xì)菌

細(xì)菌可以“喂飽”這個(gè)世界。當(dāng)一些細(xì)菌把二氧化碳轉(zhuǎn)化為燃料時(shí)，另一些細(xì)菌（如氫營(yíng)養(yǎng)菌）則分解二氧化碳并結(jié)合其他物質(zhì)產(chǎn)生可供人們食用的蛋白質(zhì)。

我們大可不必對(duì)此感到驚訝，實(shí)際上，可供動(dòng)物食用的植物都是利用光合作用將二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳水化合物的。嚴(yán)格來(lái)講，植物其實(shí)并沒有進(jìn)化出把二氧化碳轉(zhuǎn)化為食物的能力，而是靠把光合作用細(xì)菌吸收進(jìn)它們的細(xì)胞內(nèi)來(lái)獲得這種能力的。

就捕獲太陽(yáng)能的能力而言，利用光合作用的有機(jī)體遠(yuǎn)比不上太陽(yáng)能電池板。對(duì)此，科學(xué)家有一個(gè)構(gòu)想：是否能通過(guò)細(xì)菌利用太陽(yáng)能和二氧化碳來(lái)合成蛋白質(zhì)？如果可行，那么我們將以前所未有的超}央速度收獲食物。

要實(shí)現(xiàn)這個(gè)構(gòu)想，涉及太陽(yáng)能分解水分子，并利用產(chǎn)生的氫氣為發(fā)酵罐中的細(xì)菌提供養(yǎng)料。然后，利用這些細(xì)菌結(jié)合空氣中的二氧化碳合成高質(zhì)量蛋白質(zhì)，從而代替日常飲食中的動(dòng)物蛋白。這種方法還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即所用的發(fā)酵罐占地面積小，要容納整個(gè)生產(chǎn)鏈只需一間啤酒廠的面積。因此，一部分農(nóng)場(chǎng)可被還原為森林，以吸收空氣中更多的二氧化碳。這樣一來(lái)，地球甚至能實(shí)現(xiàn)“碳的負(fù)排放”，即吸收的二氧化碳多于排出的二氧化碳。

科學(xué)家認(rèn)為，在未來(lái)利用細(xì)菌或其他微生物能生產(chǎn)出更多對(duì)地球環(huán)境友好的蛋白質(zhì)。將它們添加到燕麥、奶、面包或其他面食中，可提高飲食中蛋白質(zhì)的含量。但具體要添加到哪種食物中，取決于消費(fèi)者對(duì)“細(xì)菌蛋白質(zhì)”的接納程度。

可吃掉溫窒氣體的細(xì)菌

細(xì)菌雖小，但它們對(duì)控制氣候變化有著巨大的潛力，因?yàn)橛卸喾N細(xì)菌都會(huì)“吃”地球主要的溫室氣體二氧化碳，只不過(guò)，它們“吃”得太慢了。

快速生長(zhǎng)的細(xì)菌可以更快地分解二氧化碳，但相比于二氧化碳，它們更傾向于以糖類為食。2019年，以色列科學(xué)家米洛把以二氧化碳為食的光合作用細(xì)菌DNA插入大腸桿菌（一種快速生長(zhǎng)的細(xì)菌）細(xì)胞，然后將它們置于高濃度二氧化碳環(huán)境中，且?guī)缀醪粸槠涮峁┨穷?。米洛推測(cè)，只要有足夠的時(shí)間，這些經(jīng)過(guò)改造的細(xì)菌在代謝方面有可能發(fā)生巨大變化。果然，一年后，這些大腸桿菌竟然真的以二氧化碳為食。如果能將這種大腸桿菌應(yīng)用到實(shí)際中，這將會(huì)是一個(gè)重大突破，對(duì)延緩全球變暖有積極作用。

此外，另一些科學(xué)家也正在進(jìn)行試驗(yàn)，希望通過(guò)向土壤注入“精心修飾”的微生物來(lái)提高土壤碳容量，同時(shí)促進(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng)。他們稱，這種方法可使每公頃土地多吸收10噸二氧化碳。也就是說(shuō)，僅在1年內(nèi)，地球上的農(nóng)用土地就能將人類排放的二氧化碳全部吸收。但生態(tài)學(xué)家認(rèn)為，目前我們還不夠了解微生物群落在土壤中的屬性，因此要對(duì)這些微生物進(jìn)行“精心修飾”還存在不少困難。如果對(duì)微生物進(jìn)行修飾能改善土壤碳容量，與其將外來(lái)微生物注入土壤中，不如為土壤中現(xiàn)有的微生物提供所需養(yǎng)分來(lái)讓它們發(fā)揮更大作用。

可凈化污染物的細(xì)菌

細(xì)菌能分解地球上幾乎所有含碳的物質(zhì)。有些細(xì)菌甚至進(jìn)化出了分解海洋浮油或類似污染物的能力。2010年墨西哥灣漏油事故導(dǎo)致至少2500平方千米海水被石油覆蓋，而浮油之下產(chǎn)生了大量嗜油細(xì)菌。

細(xì)菌分解石油的能力引起了科學(xué)家的關(guān)注，他們正在對(duì)被石油污染的土壤中的細(xì)菌菌落進(jìn)行分析，希望找出分解力最強(qiáng)的菌種。然而，利用細(xì)菌來(lái)分解土壤中的石油污染物存在一個(gè)問(wèn)題，即我們對(duì)微生物群落在土壤中可能表現(xiàn)出的特性還知之甚少。當(dāng)外來(lái)微生物被引入到土壤中，它們很可能和土壤中原本存在的微生物形成競(jìng)爭(zhēng)，而競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果我們無(wú)法預(yù)測(cè)。

目前，細(xì)菌凈化仍是污染凈化程序的重要環(huán)節(jié)。更重要的一點(diǎn)是，微生物有驚人的進(jìn)化能力和適應(yīng)以新物質(zhì)為食的能力。如果工廠附近的土壤被油污污染，那么這些土壤中的微生物很可能會(huì)開始以油污為食?？茖W(xué)家可以通過(guò)“生物刺激”——為它們提供保持“健康”所需的其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（如氮肥、磷肥和鐵肥）來(lái)幫助它們更快地分解油污。

科學(xué)家認(rèn)為，利用基因工程使細(xì)菌將重金屬（如汞）轉(zhuǎn)化成毒性較小的物質(zhì)也是可能的，但這也需要考慮將轉(zhuǎn)基因生物引入大自然是否會(huì)造成不良后果。

可吃塑料“大餐”的細(xì)菌

細(xì)菌幾乎是“不挑食”的生物，它們不僅“吃”油污，也“吃”各種其他含碳物質(zhì)，例如塑料。

2016年，日本科學(xué)家從回收站收集了用于制造飲料瓶和服裝中聚酯纖維的塑料——“聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯”（PET）樣本。他們?cè)谝徊糠諴ET樣本上發(fā)現(xiàn)了一種吃塑料的細(xì)菌。這種細(xì)菌利用其體內(nèi)的PET酶等物質(zhì)來(lái)分解塑料，得到的乙二醇等更小的分子可用于生產(chǎn)新塑料?？茖W(xué)家將這種細(xì)菌命名為“大阪坍菌”。此項(xiàng)發(fā)現(xiàn)的驚人之處在于，地球受PET塑料污染不超過(guò)80年，因此大阪堺菌進(jìn)化出分解PET塑料的能力所用的時(shí)間也不超過(guò)短短80年，由此可見細(xì)菌擁有超強(qiáng)的進(jìn)化能力。

然而，大阪坍菌分解環(huán)境中塑料的速度很緩慢。生物學(xué)家將協(xié)助分解塑料的酶從它們體內(nèi)分離出來(lái)，通過(guò)改變酶的結(jié)構(gòu)來(lái)提高分解效率。2018年，一個(gè)英國(guó)團(tuán)隊(duì)改造了大阪坍菌PET酶的結(jié)構(gòu)，成功將大阪坍菌分解塑料的效率提高了近20%?，F(xiàn)在，他們正在探索改造其他細(xì)菌酶，以尋找一種具有商業(yè)價(jià)值的分解塑料的高效途徑。在2020年初的一項(xiàng)研究中，科學(xué)家在分離出一種細(xì)菌酶一LCC并扭曲它的結(jié)構(gòu)后發(fā)現(xiàn)：原本需要數(shù)天才能完成的塑料分解過(guò)程，現(xiàn)在只需幾小時(shí)就能完成，分解效率大幅提高。隨后，他們利用通過(guò)分解塑料瓶（以石油為原料）得到的材料制作了新塑料瓶，發(fā)現(xiàn)分解前和新制成的塑料瓶在材質(zhì)上毫無(wú)差別。這一實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)細(xì)菌的分解，這種塑料可以循環(huán)利用。因此科學(xué)家認(rèn)為，可以通過(guò)改造酶來(lái)幫助回收對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染的塑料。

PET塑料并不是唯一一種能被細(xì)菌分解的塑料。2020年早些時(shí)候，科學(xué)家證實(shí)聚氨酯（常用于制作絕緣材料和汽車部件）也能被某些細(xì)菌分解。令人興奮的是，世界各地的科學(xué)家正大量進(jìn)行這方面多種有關(guān)研究，可見細(xì)菌在塑料分解方面還有巨大潛力。

可分解抗生素的細(xì)菌

1928年，英國(guó)生物學(xué)家亞歷山大·弗萊明發(fā)現(xiàn)了世上第一種抗生素——青霉素，到今天人類仍在使用青霉素進(jìn)行抗菌治療，但過(guò)量使用抗生素會(huì)使致病菌進(jìn)化出耐藥性。出人意料的是，因?yàn)橐恍┘?xì)菌能分解抗生素，所以它們也許能幫我們解決耐藥性這個(gè)難題。

雖然一些科學(xué)家研究這些細(xì)菌已經(jīng)十幾年，但發(fā)現(xiàn)它們真的會(huì)“吃”抗生素時(shí)，他們還是感到非常涼奇。2018年，科學(xué)家找到了協(xié)助細(xì)菌分解土壤中青霉素的酶，并將這種酶插入大腸桿菌。雖然他們認(rèn)為在這之后還有很長(zhǎng)的路要走，但他們?nèi)韵Ｍ?jīng)改造的大腸桿菌最終可被用于分解污水中的抗生素。這個(gè)過(guò)程中可能遇到的最大難題是，互相接觸的細(xì)菌之間會(huì)交換DNA。分解抗生素的基因可能會(huì)傳遞給其他細(xì)菌，包括可能引起疾病的有害細(xì)菌。這些有害細(xì)菌有了分解抗生素的基因后，原本用來(lái)殺死它們的抗生素就有被分解的可能，這樣一來(lái)，我們對(duì)這些細(xì)菌就會(huì)束手無(wú)策。如果給科學(xué)家足夠的時(shí)間深入研究細(xì)菌特性。他們也許能找到解決這些問(wèn)題的方法，讓細(xì)菌成為對(duì)抗抗生素耐藥性的武器。