為核酸檢測立下汗馬功勞的細菌

Yab

1964年，38歲的托馬斯·布洛克開車途經(jīng)美國黃石國家公園時，決定下來參觀一番。作為地標性景點的彩色溫泉，當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?？汕删颓稍冢悸蹇水敃r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再次回到這里。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。而當時，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（聚合酶鏈式反應(yīng)）核酸檢測，也少不了它的身影。

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”：在當時“細菌能夠承受的最高溫度是55℃左右”的普遍認知下，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。

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“TaqD？ NA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？就是通過PCR，擴增可能在鼻咽拭子中存在的病毒核酸，當病毒核酸達到一定數(shù)值，即判定為陽性。

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)活性和準確性等性質(zhì)，完全符合他們當時對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。

嗜熱菌的未來

回到水生嗜熱菌本身：在各大搜索引擎、書籍文章中搜尋它的身影，你會發(fā)現(xiàn)PCR相關(guān)的故事占據(jù)了絕大多數(shù)的篇幅。這樣的“光環(huán)”反倒遮蓋了這種細菌其他可能的閃光點。

除了耐熱的酶之外，水生嗜熱菌的代謝方式與周圍細菌的交互等等，是否也有利于它在這樣極端嚴苛環(huán)境下的存活？目前已知的包括水生嗜熱菌只有兩種嗜熱菌會形成的“圓小體”，是一種通過肽聚糖細胞壁將周邊細菌連接起來的球狀構(gòu)造，它是否像科學(xué)家假設(shè)的那樣能夠起到保護和耐熱的作用，還可以幫助嗜熱菌在貧瘠的熱泉中儲存營養(yǎng)？和親緣關(guān)系較近的非嗜熱菌相比，又有怎樣的進化故事讓它們適應(yīng)了現(xiàn)在的生活方式？

這一切都還是未知。

解答這些看起來足夠基礎(chǔ)、冷門的問題，只是滿足生物學(xué)家的求知欲，還是將來也能造就Taq聚合酶那樣的奇跡呢？今天的我們尚且不知，而基礎(chǔ)研究的魅力正在于此。

（源自“物種日歷”）責(zé)編：馬京京