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为核酸检测立下汗马功劳的细菌

时间:2023-12-03 01:39:18


   
    Yab
    黄石公园的彩色温泉
    布洛克拍摄的“蘑菇泉”
   
    1964年,38岁的托马斯·布洛克开车途经美国黄石国家公园,决定下来参观一番。作为地标性景点的彩色温泉,当然是他必看的景观之一。
    对其他人来说,可能拍两张照片,和家人、朋友分享一下,参观黄石国家公园这件事就结束了。可巧就巧在,布洛克当时是印第安纳大学的一位细菌学教授,作为内行人,他一眼就看出了门道:温泉中的色彩多半是由带色素的微生物造成的。但究竟是什么样的微生物有这种“魔力”?它们又是怎么在约70℃的水中生存的呢?
    没有人知道答案。于是第二年夏天,布洛克带着这些问题回到这里。这一次,他申请了项目资金,还带着一个本科生哈德森·弗里兹。
    “探究黄石国家公园温泉中的生物”这种暑期项目,现在听起来像一个简单的假期活动。当时,托马斯·布洛克和他的学生绝不会想到,他们真的发现了一种新细菌,这种细菌在20世纪80年代末就已经开启了现代分子生物学的新篇章,并且在新冠肺炎疫情仍在全球蔓延的今天,我们耳熟能详的PCR(聚合酶链式反应)核酸检测,也少不了它的身影。显微镜下的水生嗜热菌
    耐高温的细菌
    在黄石国家公园水温70℃的“蘑菇泉”泉水中,托马斯·布洛克和哈德森·弗里兹分离出一种粉橙色的细菌,并把它命名为“水生嗜热菌”。这种细菌生活在水里,故为“水生”;能在高温中生存,因此称作“嗜热”。
    接下来的10年,他们师生二人主要的研究都集中在“为什么”:在当时“细菌能够承受的最高温度是55℃左右”的普遍认知下,为什么水生嗜热菌如此特别?生物都有它自身最适宜生存的温度范围,而一般决定这个范围的是该生物体内的酶。作为蛋白质,超过一定的温度,酶就会失活,因而,布洛克和弗里兹假设,水生嗜热菌带有的酶都有高于其他生物酶的温度范围,所以它才能耐住高温。
    事实也是这样。1970年,布洛克和弗里兹在《细菌学杂志》上发表了他们对水生嗜热菌的醛缩酶的研究成果——这种酶竟然在水温95℃时活性最高,也就意味着它平常生活的70℃的温泉,对它来说,并不算太好的生活场所。
    他们的发现逐渐引起了科学界的兴趣。随后,DNA连接酶、转录酶等生物体内比较重要的酶也从水生嗜热菌里被提取出来。在其他酶都会支离破碎的高温条件下,这些耐高温的酶大放异彩,首次为科学家展示了很多反应的其他可能性。Taq聚合酶的结构
    开启PCR时代
    1976年,中国台湾科学家钱嘉韵教授的团队分离出一种DNA聚合酶,它最适宜的生存环境的温度是70℃以上,在95℃时仍然不失去活性。他们将水生嗜热菌的拉丁文学名简化后,将其命名为“TaqDNA聚合酶”。
    然而,研究人员在短暂的兴奋之后,感到的却是无尽的空虚。在解答了“为什么”之后,那个年代的科技水平限制了他们提出下一个问题:“我们能用它吗?”接下来,是十多年的沉寂,直到1988年,真正属于水生嗜热菌的机会才终于到来。
    这一切离不开一个叫作凯利·穆利斯的人。今天他为人熟知的身份,是PCR项目的开发者。
    当时,穆利斯是生物医药巨头赛图斯公司的一名研发人员,懂得商机的他知道,这种复制扩增生物核酸的技术需要做到规模化、自动化、快捷化,才能体现出真正的价值。而这条道路上的阻碍,恰巧就在于PCR的核心——聚合酶的选用上。
    让我们先复习一些基础的知识:PCR的原理是用高温将初始样本DNA的双链分开,再用聚合酶引导DNA复制,形成新链;重复几十轮后,原来微末的DNA被成亿万计地扩增,从而可以被可视化地分析。比如在新冠病毒的核酸检测中,专业人员是怎样判断样本呈阴性还是阳性呢?科研人员就是通过PCR,扩增可能在鼻咽拭子中存在的病毒核酸,当病毒核酸达到一定数值,即判定为阳性。凱利·穆利斯
   
    初期的PCR使用大肠杆菌的DNA聚合酶,这种酶虽然已经是人类的老朋友了,但无奈它在最开始的高温解链的环节就会失活,导致加入的大肠杆菌聚合酶只能用一轮,而后面的几十轮中的每一轮都需要手动加入。想象一下,如果今天还只能使用这种酶的话,核酸检测耗费的人力、财力和时间恐怕都会成倍增长。
    穆利斯曾经说:“我开发PCR,并不是我真的创造了什么新的东西,而是只有我把那些已经存在的东西正确地组合运用起来了。”正是他在赛图斯公司的团队重新“挖掘”了已知的、非常耐热的Taq聚合酶的研究,也有如神助,这种酶的耐热性、反应活性和准确性等性质,完全符合他们当时对PCR聚合酶的所有期待——它简直就像为PCR而生的。
    在Taq聚合酶商业化后的第二年,它就登上了《科学》杂志。它的应用,再加上之后发明的可以自动变换温度的热循环仪,标志着PCR技术的成熟。这种技术今天几乎成了生物医药领域研究和研发的必备工具,而穆利斯也在1993年凭此获得了诺贝尔化学奖。
    话说回来,如果你是一个会思考的水生嗜热菌,你更愿意默默无闻地自由生活在黄石国家公园的一隅,还是生来便作为人类基础研究的一部分,为世界知晓呢?
    (浩歌摘自微信公众号“物种日历”)
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