消除進化的黑暗面

孔詩槐

進化是生物學(xué)的基石，但它有時會威脅我們的健康，甚至我們的文明。那么我們該如何消除進化的黑暗一面？

進化的黑暗一面

進化給地球帶來了各種各樣的生命，包括我們?nèi)祟?。但生物的有些進化也有對人類不利的一面，而且從人類文明開始的時候，這些進化就給我們添麻煩了。例如在農(nóng)業(yè)時代，農(nóng)民用手工除雜草時，留下了少量長得像農(nóng)作物的雜草，于是通過幾代的進化，長得像農(nóng)作物的雜草變得越來越多。

在工業(yè)時代，有些進化已經(jīng)成為一個很大的問題。如幾乎在我們開始使用青霉素治療感染、滴滴涕殺死蚊子和除草劑消滅雜草的時候，這些生物的耐藥性就開始出現(xiàn)。原因很簡單：當(dāng)我們試圖消滅害蟲和病原體時，我們給它們施加了巨大的生存壓力，迫使它們要么死亡、要么進化。如果一種毒藥不是完全有效的話，那些存活下來的個體可能會對它有一些抵抗力，它們的后代會繼承這種能力，一些后代甚至?xí)l(fā)生變異，使自己更有抵抗力。在反復(fù)接觸毒藥的情況下，生物種群會迅速進化出耐藥性。

例如，藥物華法林在1948年首次被用來殺老鼠，在10年之后許多老鼠就對華法林產(chǎn)生了耐藥性。至于細菌和病毒等能快速繁殖的微生物，它們產(chǎn)生耐藥性的過程可能只需要幾天或幾個小時。

甚至在我們體內(nèi)，有害的進化都在發(fā)生。癌癥就是細胞通過不斷進化獲得不受控增殖能力引發(fā)的疾病。細胞癌變后，它們不僅能抵抗殺死它們的藥物，同時也能躲避免疫系統(tǒng)的攻擊，誘騙身體為它們提供食物和氧氣，并在身體內(nèi)進行擴散。

進化也能解釋為什么一些我們馴化或改造過的微生物有時會變得“不再聽話”。例如，脊髓灰質(zhì)炎疫苗是一種毒性被削弱了的病毒，但它總是趨向于進化成原來能導(dǎo)致疾病的病毒。而用于食品制造和釀酒的酵母菌往往會隨著時間的推移而進化，許多酵母菌的發(fā)酵能力往往會降低。

已取得的勝利

那么我們該如何阻止這些我們不喜歡的進化？

阻止進化，這聽起來可能有點狂妄自大，但同有害進化斗爭的過程中，我們已經(jīng)取得了一些勝利。

例如，用于治療艾滋病的雞尾酒療法就是一個典型的例子。雞尾酒療法就是將三種或三種以上的抗病毒藥物聯(lián)合使用來治療艾滋病，這樣會使艾滋病病毒很難同時對這些藥物產(chǎn)生抗藥性。醫(yī)生們在上個世紀(jì)90年代開始采用雞尾酒療法，延長了數(shù)百萬患者的生命。

有時，阻止這些生物的進化只需要將促使進化的環(huán)境壓力消除就可以了。例如在日本，一種能讓水稻患上稻瘟病的真菌能在短短三年內(nèi)就對一種新的殺菌劑產(chǎn)生了耐藥性。但當(dāng)農(nóng)民停止使用殺菌劑后，這種耐藥真菌在四年內(nèi)就消失了。

甚至，有些時候，要阻止一些生物的進化，完全沒有必要停止使用殺蟲劑或殺菌劑，你只需要確保有一些沒有進化的害蟲能活下來。例如，玉米和棉花經(jīng)過轉(zhuǎn)基因后，可產(chǎn)生Bt蛋白，可殺死許多害蟲，而且這種蛋白對人體不起作用。然而，如果只種植這種轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物的話，那么在幾年內(nèi)害蟲就會產(chǎn)生抗Bt蛋白藥性。但如果農(nóng)民選擇混合種植轉(zhuǎn)基因和非轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物，許多沒有進化的害蟲可以靠那些非轉(zhuǎn)基因的農(nóng)作物活下來，而且它們與少量有耐藥性的害蟲交配后，通常只有部分后代繼承耐藥性。這樣，就能避免大量耐藥性害蟲的出現(xiàn)，使轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物不受損失。

停下有害進化的新手段

在全球，抗生素濫用的現(xiàn)象仍十分嚴(yán)重，導(dǎo)致耐藥細菌越來越多。說服人們不要過度使用抗生素是一件很難的事情。不過，一些研究人員找到了一種新的策略，來抵抗這種細菌的進化。盡管聽起來很矛盾，但研究人員認為，我們可以使用兩種抗生素來應(yīng)對細菌的耐藥性。

來自英國格拉斯哥大學(xué)的研究人員一直在試驗交替使用兩種作用機理完全不相同的抗生素來對付耐藥細菌。這樣，對一種抗生素有耐藥性的細菌隨后會被另一種抗生素殺死。他們的研究基本理念并不是新的，長期以來，交替使用不同的農(nóng)藥一直被用于防止農(nóng)藥耐藥性的產(chǎn)生，但它以前從未應(yīng)用于抗生素。研究人員正對這個辦法進行優(yōu)化，此外，他們還發(fā)現(xiàn)這種方法也有助于防止癌細胞變得具有耐藥性。

與此同時，名為“CRISPR/Cas9”的基因編輯技術(shù)還能讓我們直接去影響進化。這種基因編輯技術(shù)是利用一種Cas9蛋白和一個向?qū)NA來完成的。向?qū)NA負責(zé)找到相匹配的DNA序列，找到后，Cas9蛋白就會自動將這段序列切割下來。因此，有了適當(dāng)?shù)南驅(qū)NA，研究人員可以在不殺死細菌的情況下，用CRISPR/Cas9技術(shù)去切割可產(chǎn)生耐藥性的DNA序列，以此來消除耐藥性。

棘手的部分是把CRISPR/Cas9的相關(guān)物質(zhì)放入細菌體內(nèi)，但這可以通過被稱為噬菌體的病毒來實現(xiàn)。噬菌體是通過將自己的DNA注入細菌體內(nèi)，來進行自我復(fù)制的。研究人員利用基因工程技術(shù)把可轉(zhuǎn)錄翻譯出CRISPR/Cas9相關(guān)物質(zhì)的基因替換掉了噬菌體自己的DNA，這樣噬菌體在感染細菌時，就能把CRISPR/Cas9相關(guān)的基因注入細菌體內(nèi)。有幾家公司已經(jīng)成功地使用這種噬菌體來治療動物身上的耐藥細菌感染，而人類臨床試驗可能很快就會實施。

但這種方法也有很大的局限性。首先，一種噬菌體只會感染特定的細菌，因此每種細菌感染都必須定制相應(yīng)的噬菌體。此外，噬菌體不能在血液中存活，因此不能用于治療身體內(nèi)部感染——盡管它們可以用于外傷感染和腸道感染。

以色列特拉維夫大學(xué)的研究人員想到了一個新點子，他們希望在細菌感染人類之前，就用噬菌體消除細菌的耐藥性。他們的初步計劃是，將修改過后的噬菌體添加到醫(yī)院使用的噴霧清潔劑中，以及醫(yī)生用來洗手的藥膏中。這樣，只要經(jīng)常使用這些清潔物品，里面的噬菌體就可以順便作用于清洗時所遇到的耐藥性細菌。

預(yù)防有害進化的出現(xiàn)

美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的研究人員則希望預(yù)防有害進化的出現(xiàn)。他們想知道，是否可以讓CRISPR/Cas9隱藏在細菌的基因組上，保持冷靜，什么都不做，當(dāng)出現(xiàn)耐藥性等不利的進化時，就讓CRISPR/Cas9發(fā)揮作用，破壞相應(yīng)的DNA序列。

于是，研究人員創(chuàng)建了一種CRISPR/Cas9，能專門消滅大腸桿菌對利福平（一種抗生素）的耐藥性。接下來，他們將這個CRISPR/Cas9植入非耐藥性大腸桿菌的基因組上，然后把這些細菌注射到老鼠的腸道中，然后給老鼠服用利福平。同時，他們把普通的大腸桿菌注射到對照組中老鼠的腸道中，然后也給它們服用利福平。幾天之內(nèi)，在對照組中的老鼠體內(nèi)，普通的大腸桿菌很快就出現(xiàn)了耐藥性，而那些被植入CRISPR/Cas9的大腸桿菌卻沒出現(xiàn)任何耐藥性。

除了對抗耐藥性以外，這些研究人員還希望用此方法來阻止其他不必要的進化。例如，我們常用微生物來制造從啤酒到胰島素等各種各樣的物質(zhì)，但隨著時間的推移，許多微生物發(fā)生了進化，失去或降低了制造這些物質(zhì)的能力。這是因為制造這些物質(zhì)會消耗微生物很大的能量，影響它們的壽命，而其他那些“愛偷懶”的微生物卻能活得更好一些，于是經(jīng)過幾代繁殖之后，有用的微生物大部分消失了，剩下的都是“愛偷懶”的其他微生物。

德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的研究人員正在研制那些具有較低突變率的微生物。一種方法是，利用CRISPR/Cas9去除基因組內(nèi)那些對微生物的生存毫無影響的但卻容易發(fā)生突變的DNA片段。

理論上，除了微生物以外，把CRISPR/Cas9相關(guān)的基因引入在其他生物體內(nèi)也能發(fā)揮作用，比如蚊子和老鼠，并想辦法讓這種基因傳播到整個種群中，這樣可以來阻止它們對殺蟲劑或老鼠藥產(chǎn)生耐藥性。

CRISPR/Cas9有望以全新的方式解決進化的黑暗面，但不管前面有多少障礙，進化總是能夠找到出路。例如，研究人員阻止了某種特定的基因突變帶來的耐藥性，但該生物仍可以借助其他形式的基因突變，產(chǎn)生相同功能的耐藥性。所以說，CRISPR/Cas9并不是萬能的，但與傳統(tǒng)藥物和殺蟲劑不同的是，一旦遇到新的情況，你只需修改CRISPR/Cas9中向?qū)NA的堿基序列，使它能匹配新的基因突變的DNA序列，這樣CRISPR/Cas9就可以去消滅新的基因突變。

但任何技術(shù)都是一把雙刃劍，這種新的基因工程技術(shù)是否還會帶來無法預(yù)測的后果？比如，被引入CRISPR/Cas9的生物擴散到野外環(huán)境中，是否會出現(xiàn)意想不到的生物學(xué)災(zāi)難？目前來說，這還無法回答。不管怎樣，有一件事是肯定的：即使在我們對抗進化的斗爭中有了新的武器，這場沖突也不會永遠結(jié)束。