杜絕星際污染，細菌遺傳學顯妙用

編譯 舒愉棉

鑒別出能夠在外太空存活的地球微生物能夠幫助科學家在未來的空間飛行任務以及尋找外星生命的航行中消滅它們。

身著無菌服的技術人員正在對好奇號火星探測器進行試駕檢查。出于地球微生物對火星可能會造成污染的潛在風險考慮，好奇號的火星之旅在2012年至2016年間曾數(shù)次延期

在1971年上映的科幻驚悚片《人間大浩劫》中，一顆美國軍用衛(wèi)星Scoop VII號墜落在新墨西哥州的皮德蒙特高原的一個偏僻的小鎮(zhèn)上，衛(wèi)星所載外星微生物幾乎殺死了小鎮(zhèn)上的所有人，影片中的科學家手忙腳亂地對微生物的入侵進行控制、對其特性進行鑒定并阻止其對人類造成毀滅。也許上述的一幕在現(xiàn)實生活中顯得有些遙遠，在現(xiàn)實生活中，美國宇航局（NASA）、各國太空署以及全球?qū)W術研究機構(gòu)的研究人員一直以來都致力于確保：帶回小行星或彗星樣本的飛船不會像電影中的衛(wèi)星一樣帶回來不該帶的外星生物。與此同時，他們也在研究如何杜絕抗性極強的細菌搭上地球發(fā)出的便車，一同前往火星、土星和木星的衛(wèi)星、太陽系的其他星球。

“地球充滿了細菌，正如字面意思一樣，我們完全就是‘沐浴’在細菌之中”，來自東卡羅萊納大學的天體生物學與空間污染專家約翰·魯梅爾（John Rummel）在接受《科學家》雜志采訪時說道，“行星保護這一概念指的是發(fā)射出的飛行器能夠不攜帶地球上的細菌前往到宇宙各處去，也能在返回時不帶任何外來生物回到地球來?！?/p>

科學家們首次提出對星際污染的擔憂是在1956年，也就是蘇聯(lián)向近地軌道發(fā)射人造衛(wèi)星的前一年。出于這一擔憂，1958年，國際科學聯(lián)盟理事會的下屬委員會設計了行星保護的雛形架構(gòu)，并成立了空間研究委員會（the Committee on Space Research，COSPAR）來對行星保護進行監(jiān)管。最早的滅菌措施包括了對飛行器各部件進行極高溫滅菌，這一措施在20世紀70年代廣泛使用，直到任務是拍攝火星表面照片和尋找生命存在的“維京”號系列探測器發(fā)射為止。

然而隨著飛行器的設計越來越復雜，研究人員發(fā)現(xiàn)，要想在預算范圍內(nèi)設計出既能夠承受住強度極高的滅菌措施、又能夠在探索宇宙時執(zhí)行精細任務的探測器是越來越難了。魯梅爾介紹時說到，如今COSPAR對飛行器的要求是船體攜帶細菌孢子不超過30萬，在某些任務中甚至要求不超過3萬。出于上述種種原因，滅菌凈化措施這些年來一直在不斷調(diào)整和完善，當建造飛行器和飛船時時，不同的建造階段都會進行攜菌檢測，從而確保不會有太多的細菌孢子依附在飛行器各部件的內(nèi)外沿上。

1975年，“維京”號火星著陸器正在飛船發(fā)射前接受短時間干燥高溫滅菌

與NASA研究人員一起共事的休斯頓大學微生物學家馬德罕·蒂魯馬萊（Madhan Tirumalai）則和另外的科學家選擇用另一種方式來幫助降低飛船的攜菌量：研究微生物從各種滅菌凈化方法（例如紫外線照射和雙氧水蒸汽）中幸存下來的原因?！凹毦咦臃浅５念B強，”他在接受《科學家》雜志采訪時談道，“它們能夠在環(huán)境中休眠數(shù)十萬年，直到遇到合適的條件時再萌發(fā)?！?/p>

蒂魯馬萊及其研究小組在研究能夠在飛船潔凈室和國際空間站的極端環(huán)境下產(chǎn)生孢子的兩種菌株的基因組：沙福芽孢桿菌FO-36bT（Bacillus safensisFO-36bT）和短小芽孢桿菌SAFR-032（B．pumilus SAFR-032），這兩種菌株產(chǎn)生的孢子可以抵抗紫外線照射和過氧化物處理。研究小組最近在將這兩種菌株與多種不耐紫外線照射或過氧化物的芽孢桿菌以及在兩艘駛向火星的飛船發(fā)射前發(fā)現(xiàn)的沙福芽孢桿菌MERTA-8-2（B. safensisMERTA-8-2）的基因組進行比對。目前，沙福芽孢桿菌FO-36bT的全基因組測序工作已經(jīng)完成，研究小組則開始對其基因組進行鑒定，以期找到與細菌孢子的抗性相關的基因。

在2018年6月發(fā)表在《生物醫(yī)學中心·微生物學》（BMC Microbiol）上的研究論文中，蒂魯馬萊及其研究小組在沙福芽孢桿菌FO-36bT中鑒定出了9個在其他沙福芽孢桿菌菌株和短小芽孢桿菌中沒有的基因，而在美國國家生物技術信息中心（NCBI）的核苷酸數(shù)據(jù)庫中目前也尚無這9個基因的相關記錄。有4個基因與噬菌體相關，噬菌體是一種能夠感染細菌并將遺傳物質(zhì)插入或重組到被感染細菌基因組中的病毒，從而使得該細菌獲得抗性。蒂魯馬萊指出，下一步則是研究由這些獨特基因表達出的蛋白質(zhì)，看看它們是否在孢子抗紫外線照射和過氧化物處理的特性上發(fā)揮作用。

同樣參與這一研究的德克薩斯州立大學微生物學家羅伯特·麥克林（Robert Mclean）則稱這一研究“極為精彩”，并說這一研究成果可以確保搭上宇宙飛船便車的細菌不會對宇航員造成傷害和對其他行星造成污染，從而提升未來長途宇宙航行的成功率。盡管蒂魯馬萊及其研究小組尚未精確描繪出細菌孢子形成抗性的遺傳機制，麥克林在接受采訪時說道，他們已經(jīng)將范圍縮小到了幾種可能性上?，F(xiàn)在，研究團隊正在開展后續(xù)的實驗，觀察細菌孢子抗性在敲除這些基因之后是繼續(xù)存在還是消失，然后再重新將這些基因插入到基因組中看抗性是否能夠得到恢復。如果這些實驗能夠順利完成，那么就能鑒定出對目前已有的滅菌處理辦法產(chǎn)生抗性相關的基因和基因通路，并在接下來設計出能夠阻斷這些通路的小分子物質(zhì)，從而殺死具有抗性的孢子、進而阻止它們在外太空繁殖。

蒂魯馬萊還指出，總會有什么能夠躲過凈化措施存活下來。如果科學家能夠鑒定出產(chǎn)生抗性的基因或者基因表達通路，除了助力宇宙污染保護外，也可以通過研究出可以將這些具有抗性的“外來”細菌鑒定出來的生物標記物來做更多的事，比如說，如果有太空任務在其他星球發(fā)現(xiàn)了微生物生命時，這一技術就能幫助研究人員確定所發(fā)現(xiàn)的微生物的確來自地球之外。“當然，我們需要掌握相關背景”，蒂魯馬萊強調(diào)，“只有這樣，研究人員才能將疑似外來生物與地球生物區(qū)別開來?！?/p>

資料來源 The Scientist