科學(xué)家的細(xì)菌“育兒所”

方陵生

世界上1%的微生物為人類(lèi)提供了抗生素，如今該是開(kāi)發(fā)和利用那剩下99%的微生物的時(shí)候了……

在閱讀“科學(xué)家的細(xì)菌育兒所”一文之前，讓我們先普及一下來(lái)了解以下的幾點(diǎn)知識(shí)：

1.什么是微生物

微生物是一切肉眼看不見(jiàn)或看不清的微小生物的總稱(chēng)。形體微小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通常要用光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡才能看清楚的生物，統(tǒng)稱(chēng)為微生物。但也有少數(shù)微生物是肉眼可以看見(jiàn)的，像蘑菇、靈芝等真菌也是屬于微生物中的重要成員。本文的“主人公”細(xì)菌，當(dāng)然也是微生物家族的重要成員了！

2.為什么要研究微生物

首先，生命活動(dòng)的基本規(guī)律，大多數(shù)是在研究微生物的過(guò)程中首先被闡明的。例如，利用酵母菌的無(wú)細(xì)胞制劑進(jìn)行酒精發(fā)酵的研究，闡明了生物體內(nèi)糖酵解的途徑。其次，微生物學(xué)為分子遺傳學(xué)和分子生物學(xué)的創(chuàng)立、發(fā)展提供了基礎(chǔ)和依據(jù)，而且是它們進(jìn)一步發(fā)展的必要工具。舉例來(lái)說(shuō)，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的確定、遺傳密碼的揭露、中心法則的建立、RNA逆轉(zhuǎn)錄酶的發(fā)現(xiàn)，以及基因工程的誕生，都是用微生物做實(shí)驗(yàn)完成的。第三，微生物學(xué)是基因工程乃至生物工程的主角。基因工程實(shí)質(zhì)上是體外切割和重組DNA片段的過(guò)程，而其中所需的供體、受體、載體及工具酶等“角色”，大都要由微生物來(lái)承擔(dān)和完成。第四，微生物的多樣性，歸根到底是基因的多樣性，它為研究生命科學(xué)提供了豐富的基因庫(kù)。第五，通過(guò)微生物的研究獲取新的抗生素。1928年英國(guó)細(xì)菌學(xué)家弗萊明就是通過(guò)研究細(xì)菌發(fā)現(xiàn)了世界上第一種抗生素———青霉素的。

3.如何來(lái)研究微生物

科學(xué)家目前最常用的方法就是在實(shí)驗(yàn)室用培養(yǎng)皿培養(yǎng)微生物，然后再進(jìn)行研究。培養(yǎng)皿是一種用于微生物培養(yǎng)或細(xì)胞培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)室器皿，由一個(gè)平面圓盤(pán)狀的底和一個(gè)蓋組成，一般用玻璃或塑料制成。做這些研究也離不開(kāi)細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)，另一方面，大多數(shù)的研究都是為了產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)的高低可以直接影響到一些生物產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)能力。細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)無(wú)疑就成為了細(xì)胞生物學(xué)的基本技術(shù)。

舀起一撮土，或用棉簽擦拭口腔中的臉頰內(nèi)側(cè)，不出意外你什么也沒(méi)看見(jiàn)，但在那一撮土里，或在你擦拭過(guò)臉頰內(nèi)側(cè)的棉簽上，一定聚集了大量對(duì)人類(lèi)來(lái)說(shuō)依然神秘的各種微生物。

雖然你看不到微生物，但它們卻占了世界上生物量的一半以上。它們小小的生命卻擁有巨大的能力，許多致病性微生物能讓我們生病，很多微生物能保護(hù)農(nóng)作物或植物免受疾病和干旱困擾。今天，我們用來(lái)治病救人的幾乎所有的抗生素都來(lái)自于它們。

微生物如此重要，而我們對(duì)它們的了解之少令人吃驚。如果你將一撮土隨意撒入培養(yǎng)微生物的培養(yǎng)皿中，甚至連那1%的微生物都培養(yǎng)不出來(lái)。如果沒(méi)有一個(gè)興旺繁衍的微生物群落，我們對(duì)它們的研究幾乎是不可能的。一個(gè)不可否認(rèn)的事實(shí)是，大多數(shù)微生物，就像組成宇宙空間大部分物質(zhì)的暗物質(zhì)一樣，至今仍然籠罩著一層神秘的面紗。

我們能夠揭開(kāi)這層神秘面紗，讓這些小小的微生物為人類(lèi)所用，造福人類(lèi)嗎？可以想象，如果我們能設(shè)法從這些小小的微生物中開(kāi)發(fā)出更多救命的抗生素，那將是一筆巨大的財(cái)富，對(duì)于人類(lèi)健康更是具有重要而深遠(yuǎn)的意義。

然而，事情卻沒(méi)有那么簡(jiǎn)單。

難題：大多數(shù)微生物很難培養(yǎng)成功

這些小家伙挑剔而嬌貴。很多微生物在實(shí)驗(yàn)室的培養(yǎng)皿中無(wú)法正常生長(zhǎng)，因此我們必須學(xué)會(huì)如何滿(mǎn)足這些挑剔小家伙的胃口，引誘它們成長(zhǎng)起來(lái)。

更重要的是，如今對(duì)微生物的探索對(duì)人類(lèi)來(lái)說(shuō)比以往任何時(shí)候都更迫切，原因之一是我們?nèi)缃裾幱凇翱股匚C(jī)”之中。不久前的一些新證據(jù)表明，一些細(xì)菌已開(kāi)始對(duì)多粘菌素產(chǎn)生了抗藥性，而在抗生素家族中，多粘菌素已是我們目前最后的底牌，我們迫切需要新的抗生素來(lái)代替它們。

聽(tīng)起來(lái)也許有些奇怪，我們用來(lái)對(duì)抗細(xì)菌的抗生素，通常都來(lái)自于細(xì)菌。事實(shí)上，許多細(xì)菌的抗生素分子就是它們?cè)谏娓?jìng)爭(zhēng)中對(duì)付其他種類(lèi)細(xì)菌的武器。以往研究人員就是通過(guò)這種途徑來(lái)發(fā)現(xiàn)抗生素的。他們將不同種類(lèi)的細(xì)菌放在同一個(gè)培養(yǎng)皿中，如果發(fā)現(xiàn)某個(gè)種類(lèi)的細(xì)菌群落能夠獨(dú)霸一方，周?chē)渌N類(lèi)的細(xì)菌在生存競(jìng)爭(zhēng)中都敗下陣來(lái)，被徹底清理干凈，那就是一個(gè)明顯的信號(hào)，表明這個(gè)細(xì)菌群落已經(jīng)產(chǎn)生了能夠殺死其他細(xì)菌的抗菌分子。然后研究人員通過(guò)多年辛勤的實(shí)驗(yàn)，將這種抗菌物質(zhì)分離出來(lái)，并對(duì)其安全性進(jìn)行檢測(cè)確定之后，研發(fā)出醫(yī)生用來(lái)治療病人的抗生素產(chǎn)品。

為什么大多數(shù)細(xì)菌很難在實(shí)驗(yàn)室的培養(yǎng)皿中培養(yǎng)成功呢？一個(gè)原因是它們的生長(zhǎng)速度太慢，另一個(gè)原因可能是它們需要某些化學(xué)物質(zhì)的平衡，而培養(yǎng)皿中通常無(wú)法提供這些條件來(lái)滿(mǎn)足它們的需要。

那么是否可以改變一下以往的做法，比如：將細(xì)菌群落在培養(yǎng)皿中“養(yǎng)育”的時(shí)間從過(guò)去通常的幾天時(shí)間延長(zhǎng)到幾個(gè)星期，或者嘗試各種不同化學(xué)物質(zhì)的組合呢？

20世紀(jì)70年代，日本微生物學(xué)家首次開(kāi)始了對(duì)這些“嬌貴”微生物進(jìn)行培養(yǎng)的嘗試，并與美國(guó)密歇根大學(xué)的研究人員合作，通過(guò)在培養(yǎng)皿中提供不同的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，以及延長(zhǎng)細(xì)菌培養(yǎng)時(shí)間的辦法，在土壤樣本中培養(yǎng)出了5%～10%的微生物。

美國(guó)西雅圖弗瑞德·哈金森癌癥研究中心研究人類(lèi)微生物學(xué)的戴維·弗雷德里克斯也進(jìn)行了類(lèi)似的嘗試。在對(duì)一種人類(lèi)女性陰道致病細(xì)菌進(jìn)行研究的過(guò)程中，他對(duì)其中一兩種微生物連續(xù)培養(yǎng)了幾個(gè)星期，他還在培養(yǎng)皿中加入了來(lái)自人類(lèi)女性陰道的代謝物。他發(fā)現(xiàn)，通過(guò)這些方法，可以誘導(dǎo)促使不同微生物群落的生長(zhǎng)。

雖然這些實(shí)驗(yàn)都取得了一定的成果，但目前沒(méi)有一個(gè)實(shí)驗(yàn)室能夠從根本上解決問(wèn)題。另外，在這些實(shí)驗(yàn)中，研究人員不經(jīng)意間是否會(huì)給微生物帶來(lái)一些傷害呢？俄羅斯莫斯科微生物研究所的斯維特拉娜·戴迪什就是提出這個(gè)疑問(wèn)的人之一。斯維特拉娜專(zhuān)門(mén)研究生長(zhǎng)在北方濕地里的微生物，如泥炭沼澤里的微生物。她認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)室里“填鴨式”的微生物喂養(yǎng)法，通過(guò)塞給微生物大量食物，促使它們快速生長(zhǎng)的方法，對(duì)于這些在低營(yíng)養(yǎng)環(huán)境下繁衍興旺的物種，無(wú)異于拔苗助長(zhǎng)，有可能對(duì)它們是有害的。

細(xì)菌培養(yǎng)的新理論與新方法

20世紀(jì)70年代后期，當(dāng)時(shí)還在莫斯科國(guó)立大學(xué)的斯拉瓦·埃普斯坦仔細(xì)觀察了微生物不同物種之間的相互關(guān)系之后，似乎有了一絲明悟。他說(shuō)：“你和我，以及所有的人類(lèi)，都只是世間上無(wú)數(shù)物種中的一朵浪花，一道漣漪。就像人類(lèi)不可能對(duì)1億年前的地球產(chǎn)生影響一樣，也不會(huì)影響到你我從這個(gè)世界上消失1億年之后的地球。真正能夠影響和塑造地球生命界的就是這些微生物。”

埃普斯坦認(rèn)識(shí)到，培養(yǎng)皿中培養(yǎng)出來(lái)的微生物與“野生”微生物之間是有著巨大不同的。這個(gè)問(wèn)題已困擾人類(lèi)一百多年，埃普斯坦將它稱(chēng)為“微生物學(xué)最古老的未解之謎”。這個(gè)問(wèn)題吸引著他，讓他深深地沉迷其中。

埃普斯坦不贊成實(shí)驗(yàn)室里給細(xì)菌填塞食物，以滿(mǎn)足微生物所謂特殊需要的做法，并認(rèn)為這實(shí)際上只是我們的一種臆測(cè)而已。為什么大多數(shù)微生物無(wú)法人工培養(yǎng)生長(zhǎng)，埃普斯坦有自己的一些想法和理論（見(jiàn)左邊鏈接“馴養(yǎng)微生物”）。

一開(kāi)始，他想到了一個(gè)“欺騙迷惑”微生物的簡(jiǎn)單方法，如果問(wèn)題在于如何讓微生物擺脫它們對(duì)自然棲息環(huán)境的依賴(lài)性，那么就可以有一種變通辦法：是否可以取一些微生物樣本，封裝在一個(gè)滲透性容器內(nèi)，然后將這個(gè)容器放回這些微生物喜愛(ài)的自然生長(zhǎng)環(huán)境中呢？微生物在它們熟悉和適應(yīng)的自然環(huán)境中會(huì)很好地生長(zhǎng)起來(lái)。埃普斯坦的想法是：如果我們?cè)谧匀画h(huán)境中培養(yǎng)這些微生物，就不用操心去猜測(cè)如何給它們提供合適的生長(zhǎng)條件了，大自然會(huì)給這些微生物提供它們所需要的一切。

但是，要將設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，卻并非容易。但埃普斯坦還是嘗試去做了。他的團(tuán)隊(duì)從土壤樣本中提取微生物，將它們放置在一個(gè)內(nèi)有瓊脂膠狀物的金屬圓盤(pán)中，兩面都用薄膜封住。但這薄膜需要有一個(gè)關(guān)鍵性的特點(diǎn)：它有許多極細(xì)小的小孔，細(xì)菌無(wú)法出入，但土壤中所有的化學(xué)物質(zhì)都可以通過(guò)這些小孔滲透進(jìn)入。

他們將這些圓盤(pán)埋在研究所外面的地里，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)皿中培養(yǎng)相同土壤樣本中的微生物。1萬(wàn)種土壤微生物中，只有其中1%能在實(shí)驗(yàn)室里生長(zhǎng)起來(lái)，但埋在地金屬圓盤(pán)中的微生物有20%～30%的種類(lèi)都開(kāi)始生長(zhǎng)起來(lái)了。在這一發(fā)現(xiàn)的鼓舞下，埃普斯坦和他的同事基姆·萊維斯合作開(kāi)辦了一家名為Novobiotic生物制藥公司，一起研究開(kāi)發(fā)抗生素。

接下來(lái)就是尋找如何分別培養(yǎng)這些微生物的方法了。通過(guò)一種叫作iChip的裝置（見(jiàn)上圖），新抗生素的發(fā)現(xiàn)將比以前更加方便快捷。iChip的每個(gè)微小井格中只放置一個(gè)微生物細(xì)胞，這樣它們可生長(zhǎng)成為非常純的微生物群落。

在過(guò)去12年里，Novobiotic公司已培養(yǎng)了5萬(wàn)種難以培養(yǎng)的微生物菌種，并在其中發(fā)現(xiàn)了25種新抗生素。一年前，新抗生素不同尋常的殺菌方式成為報(bào)紙頭條而引起人們關(guān)注，這種方式可令細(xì)菌更難以產(chǎn)生抗藥性。

當(dāng)然，發(fā)現(xiàn)的這25種抗生素并非都是有實(shí)際用途的，其中許多對(duì)人體細(xì)胞和對(duì)細(xì)菌同樣都有毒害作用，關(guān)鍵是這種發(fā)現(xiàn)抗生素的速度很是驚人。這家生物公司每培育2000個(gè)微生物菌種，就能發(fā)現(xiàn)一種候選抗生素。埃普斯坦說(shuō)道，這比以傳統(tǒng)方式研發(fā)抗生素的制藥產(chǎn)業(yè)的開(kāi)發(fā)速度要快得多了。

在這25種新發(fā)現(xiàn)的分子中，有兩種似乎對(duì)肺結(jié)核特別有效。一些對(duì)人體細(xì)胞有毒害作用的抗生素也有它們的用武之地，通常可用于開(kāi)發(fā)抗癌藥物，因此它們也并非一無(wú)是處。

無(wú)獨(dú)有偶，美國(guó)的卡爾森·曾格勒也在嘗試以模擬微生物自然環(huán)境的方法培育微生物。具體方法是將某種微生物菌種的液滴外包上一層可滲透的凝膠狀物，然后將這種膠囊放進(jìn)與含有微生物原生環(huán)境相同成分的溶液中。

曾格勒對(duì)來(lái)自人體的微生物進(jìn)行了培育，在此之前人體微生物中有一半能夠進(jìn)行人工培育，而在使用了曾格勒的新技術(shù)后，可誘使之前無(wú)法人工培育的那部分微生物也能在實(shí)驗(yàn)室里生長(zhǎng)。通過(guò)這種方法“馴服”的微生物中，有一種生存在皮膚中的微生物，這種微生物含有的一種成分可有望開(kāi)發(fā)出抗皮膚炎癥的新藥。

唯一的不足之處是，這種方法只適用于其生存環(huán)境中的液體可以提取和利用的微生物。還有一點(diǎn)是，這種方法需要一些專(zhuān)門(mén)的設(shè)備和技術(shù)，曾格勒已經(jīng)和一家公司合資生產(chǎn)可以普遍使用的配套設(shè)備。

還有一些微生物的研究者走的是完全不同的路徑，他們不培養(yǎng)微生物，而是在有關(guān)的微生物的生存環(huán)境中提取這些微生物的DNA，然后直接進(jìn)行研究。這種方法被稱(chēng)為元基因組學(xué)，或基因組分析，這種方法可以在某種微生物生存環(huán)境中，迅速獲得各種不同微生物的基因組“快照”，令開(kāi)發(fā)新藥的過(guò)程更方便更快捷。比如，在某處泥土里發(fā)現(xiàn)了令你感興趣的基因，通過(guò)基因工程將它們插入一些熟悉的物種，如大腸桿菌，然后看看結(jié)果會(huì)如何。英屬哥倫比亞大學(xué)的朱利安·戴維斯非常支持這個(gè)辦法，認(rèn)為它是發(fā)現(xiàn)新抗生素的一條有效途徑。

問(wèn)題是，到目前為止，我們還沒(méi)能通過(guò)這種方法開(kāi)發(fā)出任何新的抗生素，主要的原因是很難判斷究竟哪些DNA片斷決定相關(guān)分子的產(chǎn)生。因此目前看來(lái)，研究人員還得繼續(xù)通過(guò)耐心培養(yǎng)新微生物的方法來(lái)發(fā)現(xiàn)新的抗生素，埃普斯坦和曾格勒的技術(shù)也顯得尤為重要。接下來(lái)要做的是如何進(jìn)一步優(yōu)化這一技術(shù)。Novobiotic公司從區(qū)區(qū)幾百份土壤樣本中就發(fā)現(xiàn)了25種候選抗生素，利用這一技術(shù)發(fā)現(xiàn)新抗生素顯然大有可為。

在尋找新抗生素的道路上，埃普斯坦并不只將目光放在地球表面幾厘米的表層土壤中，他對(duì)開(kāi)發(fā)廣袤海洋中的龐大微生物資源也產(chǎn)生了極大的興趣，他說(shuō)，海洋是我們尋找抗生素的巨大寶庫(kù)。他希望能開(kāi)發(fā)出一種適合海洋環(huán)境的新版本的iChip。目前，他已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種可以放進(jìn)牙套中的iChip，用它來(lái)培育口腔中的微生物。

弗雷德里克斯也很看好這一技術(shù)，他說(shuō)他會(huì)將這一技術(shù)應(yīng)用于他的專(zhuān)業(yè)研究領(lǐng)域：人類(lèi)女性陰道微生物，也許可以考慮將iChip封裝在類(lèi)似節(jié)育環(huán)的裝置里。

微小而強(qiáng)大的微生物，雖然我們看不到它們，雖然它們隱藏在我們的身體深處，但通過(guò)研究人員不懈的努力，微生物領(lǐng)域內(nèi)的“暗物質(zhì)”之謎正在被慢慢揭開(kāi)，微生物造福人類(lèi)的未來(lái)，我們期待著。

馴養(yǎng)微生物

為什么大多數(shù)微生物無(wú)法在培養(yǎng)皿中成長(zhǎng)？可能是因?yàn)榕囵B(yǎng)皿中的化學(xué)物質(zhì)和食物無(wú)法適合它們的需要，現(xiàn)任美國(guó)東北大學(xué)特聘教授的斯拉瓦·埃普斯坦的想法與眾不同。

土壤自然環(huán)境中的許多微生物會(huì)有一個(gè)很長(zhǎng)的休眠期。埃普斯坦認(rèn)為，它們何時(shí)蘇醒，并不取決于周?chē)h(huán)境的影響，比如新的食物來(lái)源等，而完全是一種隨機(jī)的行為。

有證據(jù)表明這些沉睡中的微生物的存在。埃普斯坦的實(shí)驗(yàn)室和其他一些實(shí)驗(yàn)室的結(jié)果都表明，將一些細(xì)菌或真菌樣本放在培養(yǎng)皿中幾個(gè)月，其中的一些種類(lèi)就會(huì)隨機(jī)生長(zhǎng)起來(lái)。

然而，事情并非如此簡(jiǎn)單。因?yàn)榧词鼓愕玫搅诉@樣一個(gè)土壤中的微生物群落，然后將它們放在培養(yǎng)皿中培養(yǎng)，通常也極不穩(wěn)定。

埃普斯坦對(duì)此解釋道，休眠的細(xì)菌細(xì)胞有些像生物體體內(nèi)可生長(zhǎng)為任何其他類(lèi)型細(xì)胞的干細(xì)胞，他認(rèn)為這些細(xì)菌的細(xì)胞基因也是一樣，它們適應(yīng)于各種不同的環(huán)境或開(kāi)啟或關(guān)閉，但只要一旦開(kāi)始增殖，就會(huì)固定于某個(gè)特定的模式。這意味著，如果你將某種細(xì)菌的細(xì)胞轉(zhuǎn)移到新的環(huán)境中，它們會(huì)不知所措而停止生長(zhǎng)。

但如果某種微生物進(jìn)入休眠狀態(tài)，其基因表達(dá)就會(huì)被重新設(shè)定。因此如果你想要在一個(gè)新的環(huán)境中培養(yǎng)某個(gè)微生物菌落，就必須使用休眠的細(xì)胞。研究人員發(fā)明了一種微生物“育兒所”iChip，可讓微生物在里面“快樂(lè)”生長(zhǎng)。土壤樣本中混合的微生物中，有休眠細(xì)胞，也有生長(zhǎng)中的細(xì)胞，有效增加休眠細(xì)胞的數(shù)量可提高實(shí)驗(yàn)室里培養(yǎng)微生物的成功率，按照埃普斯坦的說(shuō)法，你得“馴養(yǎng)”這些微生物。