讓大腸桿菌告訴你溶氧濃度

黃楠

生物學(xué)歷史悠久，而基因工程作為它的一個(gè)分支在近幾十年才有了蓬勃的發(fā)展?；蚬こ痰男路种А铣缮飳W(xué)，作為一個(gè)名不見經(jīng)傳的“年輕小將”，卻毫不遜色于兩位“老前輩”。這一分支，有著自己的特色和長處。其不同之處就在于“合成”二字，它把一個(gè)個(gè)有一定功能的DNA片段“拼接”成一個(gè)有具體功用的基因或序列，再送入所選擇的生物體中，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)藥品、燃料、布料、染料，檢測土壤重金屬離子、酒精濃度等諸多功用。

前所未有，獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷

說起合成生物學(xué)，就不得不提到一個(gè)國際比賽——iGEM，它的中文全稱是“國際遺傳工程機(jī)器大賽”。這是一個(gè)隨著合成生物學(xué)的產(chǎn)生而形成的比賽，也正是因?yàn)橛辛怂?，合成生物學(xué)才得以飛速發(fā)展。

自2005年起，iGEM由麻省理工學(xué)院（MIT）的校內(nèi)比賽轉(zhuǎn)而成為國際競賽。它不但推動(dòng)了合成生物學(xué)領(lǐng)域“3A標(biāo)準(zhǔn)”的建立（包括質(zhì)粒骨架及所含酶切位點(diǎn)、基因序列的標(biāo)準(zhǔn)格式等等），而且還吸引了大批生物科技公司的參與和上億美元的風(fēng)投。除此之外，這項(xiàng)比賽本身也很有特色。它不像其他比賽一樣非要決出一個(gè)高下優(yōu)劣，反而更像是一個(gè)學(xué)術(shù)交流會，或者說是展覽大會。每支參賽隊(duì)伍拿出自己的“安卓”、“蘋果”——各種生物體，向別人展示自己開發(fā)的“APP”——合成的基因。這使得該比賽既具有競爭性，又極大地保留了科學(xué)實(shí)驗(yàn)特有的樂趣，充分展示出參賽者對自然科學(xué)的熱情。

麻雀雖小，五臟俱全

細(xì)菌，單細(xì)胞生物，結(jié)構(gòu)十分簡單，且體積小、繁殖快。作為原核生物，它和真核生物最大的區(qū)別就是它沒有成型的細(xì)胞核，自己的DNA外沒有核膜的保護(hù)，這也就為我們把合成好的DNA送入細(xì)菌提供了便利。要將我們合成的DNA成為它DNA的一部分，就和在白紙上畫畫一樣輕松。

也正是出于這些原因，合成生物學(xué)乃至基因工程在挑選生物體載體的時(shí)候，常常需要在萬千細(xì)菌中挑選出最為合適的一種。而大腸桿菌作為基因工程中常用的工程菌，最大的優(yōu)勢在于它已經(jīng)被人們研究得相當(dāng)透徹。形形色色具有微妙差異的大腸桿菌，基本能滿足一般的實(shí)驗(yàn)需要。作為最廣為人知的細(xì)菌，大腸桿菌廣泛分布于人類或動(dòng)物的腸道中。你在看這篇文章的時(shí)候，你體內(nèi)就有上億個(gè)大腸桿菌在你的腸胃里勤懇地生產(chǎn)維生素K2，幫你抵御外來的致病微生物呢！

合成生物學(xué)也常常要將大腸桿菌作為實(shí)驗(yàn)載體。在去年我們參加iGEM大賽的項(xiàng)目中，也把大腸桿菌作為實(shí)驗(yàn)的載體。我們所設(shè)計(jì)的便攜式水質(zhì)檢測設(shè)備，就是讓大腸桿菌去檢測水中溶解氧、氮、磷的濃度，并通過諸如顏色、熒光變化等方式來表現(xiàn)水中元素的類型及其含量，以達(dá)到評估水質(zhì)優(yōu)劣的目的。

合抱之木，生于毫末

萬事總是開頭難，一開始我們就遇到了一個(gè)棘手的問題：怎么讓大腸桿菌知道水里面含有多少溶解氧、氮、磷元素呢？要知道，雖說“合成”這一步就如搭樂高積木一樣簡單，但也要先有積木啊，否則就是巧婦難為無米之炊！萬幸的是，iGEM官網(wǎng)給我們提供了一個(gè)包含成千上萬段DNA序列的注冊庫。在那里，要找到我們所需要的“積木”就容易得多了。果然，不出一周，我們就在注冊庫里找到了3種啟動(dòng)子——Pvgb、PyeaR和PphoB，它們分別能感受溶解氧濃度、氮氧化物濃度和胞外磷酸濃度。

有了這3個(gè)啟動(dòng)子，我們就有了實(shí)驗(yàn)最需要的“控制開關(guān)”。那么，接下來只需要一些報(bào)告基因作為“燈泡”，就能讓大腸桿菌把氧濃度等情況反映出來了。我們最先想到的，自然是顏色鮮艷、帶有熒光且十分常用的熒光蛋白，這些部件也存在于注冊庫中。為了區(qū)分不同的水體質(zhì)量指標(biāo)，我們選用了3種不同的熒光蛋白——綠色熒光蛋白（GFP）、藍(lán)色熒光蛋白（BFP）和紅色熒光蛋白（RFP）。

至此，我們實(shí)驗(yàn)所需要的生物載體和基因片段都找到了，至于如何將這些DNA連接起來，那就要合成生物學(xué)的絕活了。還記得前文提到過的樂高積木嗎？每一塊樂高都有頂端凸齒和底端凹齒，凸齒只能和凹齒結(jié)合，反之則無法連接。我們所找到的部件也是一樣，幾乎每一個(gè)部件都保存在一個(gè)質(zhì)粒骨架上面。在目的基因的前端和后端，各有一個(gè)特殊的酶切位點(diǎn)——XbaⅠ和SpeⅠ。這兩個(gè)酶切位點(diǎn)可謂天造地設(shè)的一對，因?yàn)樗鼈兪峭裁?，識別序列只有微小差異，酶切產(chǎn)生的粘性末端可以互補(bǔ)。也正是因?yàn)檫@個(gè)微小差異，它們又像是天生的冤家，一旦它們切出來的粘性末端結(jié)合，新生成的序列就既不是XbaⅠ的識別位點(diǎn)，也不是SpeⅠ的識別位點(diǎn)。這樣說來，只要我們愿意，每次都可以進(jìn)行粘性末端的組合操作，就像搭樂高積木一樣反復(fù)無窮。

知之非艱，行之惟艱

當(dāng)然，在這一過程中我們也遇到了不少困難，所用到的實(shí)驗(yàn)器材都是我們從未接觸過的，挑戰(zhàn)性極高。

和微生物打交道，最頭疼的就是“看不到、摸不著”。每次做實(shí)驗(yàn)就像是雙手伸進(jìn)黑匣子里去摸鉆石一樣，在實(shí)驗(yàn)結(jié)果出來之前，你根本不知道自己摸到的是鉆石還是石頭。你知道自己在期待什么，但最終或許什么都沒有。這就是實(shí)驗(yàn)的美妙之處。得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果那一刻的喜悅，足以抵消之前繁復(fù)實(shí)驗(yàn)時(shí)的所有疲憊。

此外，最令人頭疼的問題就是準(zhǔn)備時(shí)間緊張。去年5月組隊(duì)，11月參賽，實(shí)際上真正可供我們利用的大塊時(shí)間只有暑假。印象最深的，就是在暑假快結(jié)束的時(shí)候，我們還剩兩個(gè)關(guān)鍵的部件沒有連接成功。重復(fù)的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)做了三四次了，即便從頭再做也依然沒有起色。這些實(shí)驗(yàn)的周期雖然不長，但是至少也要兩天一循環(huán)?？上攵嵌螘r(shí)間對于我們而言是多么煎熬！因此，這里也要多謝郭婷博士的引領(lǐng)，徐程、朱旭芬、張銘教授的指導(dǎo)，金文濤老師、友隊(duì)隊(duì)員們以及學(xué)長、學(xué)姐們的幫助，他們以自己的經(jīng)驗(yàn)為我們鋪路，替我們省下了不少寶貴的時(shí)間。有了這些助力，我們才少走了一些彎路，更快地得到了結(jié)果。

為了便于向公眾介紹我們的項(xiàng)目，讓更多的人了解合成生物學(xué)，我們還做了一系列科普小視頻，介紹了從PCR技術(shù)、酶切到質(zhì)粒與生物積塊等等簡單有趣的科學(xué)知識。付出才會有回報(bào)。除了在實(shí)驗(yàn)中學(xué)習(xí)到的技能與技巧，我們還在進(jìn)行社會實(shí)踐的同時(shí)，收獲了一份從社會調(diào)查、開題、實(shí)驗(yàn)、結(jié)題到交流的經(jīng)歷，非常的難能可貴！