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      為核酸檢測立下汗馬功勞的細菌

      2021-12-09 19:07:58Yab
      讀者 2022年1期
      關(guān)鍵詞:布洛克黃石水生

      Yab

      黃石公園的彩色溫泉

      布洛克拍攝的“蘑菇泉”

      1964年,38歲的托馬斯·布洛克開車途經(jīng)美國黃石國家公園,決定下來參觀一番。作為地標(biāo)性景點的彩色溫泉,當(dāng)然是他必看的景觀之一。

      對其他人來說,可能拍兩張照片,和家人、朋友分享一下,參觀黃石國家公園這件事就結(jié)束了。可巧就巧在,布洛克當(dāng)時是印第安納大學(xué)的一位細菌學(xué)教授,作為內(nèi)行人,他一眼就看出了門道:溫泉中的色彩多半是由帶色素的微生物造成的。但究竟是什么樣的微生物有這種“魔力”?它們又是怎么在約70℃的水中生存的呢?

      沒有人知道答案。于是第二年夏天,布洛克帶著這些問題回到這里。這一次,他申請了項目資金,還帶著一個本科生哈德森·弗里茲。

      “探究黃石國家公園溫泉中的生物”這種暑期項目,現(xiàn)在聽起來像一個簡單的假期活動。當(dāng)時,托馬斯·布洛克和他的學(xué)生絕不會想到,他們真的發(fā)現(xiàn)了一種新細菌,這種細菌在20世紀(jì)80年代末就已經(jīng)開啟了現(xiàn)代分子生物學(xué)的新篇章,并且在新冠肺炎疫情仍在全球蔓延的今天,我們耳熟能詳?shù)腜CR(聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng))核酸檢測,也少不了它的身影。

      顯微鏡下的水生嗜熱菌

      耐高溫的細菌

      在黃石國家公園水溫70℃的“蘑菇泉”泉水中,托馬斯·布洛克和哈德森·弗里茲分離出一種粉橙色的細菌,并把它命名為“水生嗜熱菌”。這種細菌生活在水里,故為“水生”;能在高溫中生存,因此稱作“嗜熱”。

      接下來的10年,他們師生二人主要的研究都集中在“為什么”:在當(dāng)時“細菌能夠承受的最高溫度是55℃左右”的普遍認(rèn)知下,為什么水生嗜熱菌如此特別?生物都有它自身最適宜生存的溫度范圍,而一般決定這個范圍的是該生物體內(nèi)的酶。作為蛋白質(zhì),超過一定的溫度,酶就會失活,因而,布洛克和弗里茲假設(shè),水生嗜熱菌帶有的酶都有高于其他生物酶的溫度范圍,所以它才能耐住高溫。

      事實也是這樣。1970年,布洛克和弗里茲在《細菌學(xué)雜志》上發(fā)表了他們對水生嗜熱菌的醛縮酶的研究成果——這種酶竟然在水溫95℃時活性最高,也就意味著它平常生活的70℃的溫泉,對它來說,并不算太好的生活場所。

      他們的發(fā)現(xiàn)逐漸引起了科學(xué)界的興趣。隨后,DNA連接酶、轉(zhuǎn)錄酶等生物體內(nèi)比較重要的酶也從水生嗜熱菌里被提取出來。在其他酶都會支離破碎的高溫條件下,這些耐高溫的酶大放異彩,首次為科學(xué)家展示了很多反應(yīng)的其他可能性。

      Taq 聚合酶的結(jié)構(gòu)

      開啟PCR時代

      1976年,中國臺灣科學(xué)家錢嘉韻教授的團隊分離出一種DNA聚合酶,它最適宜的生存環(huán)境的溫度是70℃以上,在95℃時仍然不失去活性。他們將水生嗜熱菌的拉丁文學(xué)名簡化后,將其命名為“TaqDNA聚合酶”。

      然而,研究人員在短暫的興奮之后,感到的卻是無盡的空虛。在解答了“為什么”之后,那個年代的科技水平限制了他們提出下一個問題:“我們能用它嗎?”接下來,是十多年的沉寂,直到1988年,真正屬于水生嗜熱菌的機會才終于到來。

      這一切離不開一個叫作凱利·穆利斯的人。今天他為人熟知的身份,是PCR項目的開發(fā)者。

      當(dāng)時,穆利斯是生物醫(yī)藥巨頭賽圖斯公司的一名研發(fā)人員,懂得商機的他知道,這種復(fù)制擴增生物核酸的技術(shù)需要做到規(guī)?;?、自動化、快捷化,才能體現(xiàn)出真正的價值。而這條道路上的阻礙,恰巧就在于PCR的核心——聚合酶的選用上。

      讓我們先復(fù)習(xí)一些基礎(chǔ)的知識:PCR的原理是用高溫將初始樣本DNA的雙鏈分開,再用聚合酶引導(dǎo)DNA復(fù)制,形成新鏈;重復(fù)幾十輪后,原來微末的DNA被成億萬計地擴增,從而可以被可視化地分析。比如在新冠病毒的核酸檢測中,專業(yè)人員是怎樣判斷樣本呈陰性還是陽性呢?科研人員就是通過PCR,擴增可能在鼻咽拭子中存在的病毒核酸,當(dāng)病毒核酸達到一定數(shù)值,即判定為陽性。

      凱利·穆利斯

      初期的PCR使用大腸桿菌的DNA聚合酶,這種酶雖然已經(jīng)是人類的老朋友了,但無奈它在最開始的高溫解鏈的環(huán)節(jié)就會失活,導(dǎo)致加入的大腸桿菌聚合酶只能用一輪,而后面的幾十輪中的每一輪都需要手動加入。想象一下,如果今天還只能使用這種酶的話,核酸檢測耗費的人力、財力和時間恐怕都會成倍增長。

      穆利斯曾經(jīng)說:“我開發(fā)PCR,并不是我真的創(chuàng)造了什么新的東西,而是只有我把那些已經(jīng)存在的東西正確地組合運用起來了?!闭撬谫悎D斯公司的團隊重新“挖掘”了已知的、非常耐熱的Taq聚合酶的研究,也有如神助,這種酶的耐熱性、反應(yīng)活性和準(zhǔn)確性等性質(zhì),完全符合他們當(dāng)時對PCR聚合酶的所有期待——它簡直就像為PCR而生的。

      在Taq聚合酶商業(yè)化后的第二年,它就登上了《科學(xué)》雜志。它的應(yīng)用,再加上之后發(fā)明的可以自動變換溫度的熱循環(huán)儀,標(biāo)志著PCR技術(shù)的成熟。這種技術(shù)今天幾乎成了生物醫(yī)藥領(lǐng)域研究和研發(fā)的必備工具,而穆利斯也在1993年憑此獲得了諾貝爾化學(xué)獎。

      話說回來,如果你是一個會思考的水生嗜熱菌,你更愿意默默無聞地自由生活在黃石國家公園的一隅,還是生來便作為人類基礎(chǔ)研究的一部分,為世界知曉呢?

      (浩 歌摘自微信公眾號“物種日歷”)

      燈泡里的鎢絲,只能驅(qū)散我們眼前的黑暗;人心里的黑暗,只有靠自己去驅(qū)散。

      ——麥家

      過日子就是平平常常,有時候有意思,有時候沒意思,不要成天到晚地找意義。

      ——黃永玉

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