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1964年，38歲的托馬斯·布洛克開車途經(jīng)美國黃石國家公園，決定下來參觀一番。作為地標(biāo)景點(diǎn)的彩色熱泉，當(dāng)然也是他的“必看”之一。

對(duì)于其他人來說，可能拍兩張照片，和家人朋友分享一下，這件事就結(jié)束了?？汕删颓稍?，布洛克當(dāng)時(shí)是印第安納大學(xué)的一名細(xì)菌學(xué)教授，而“內(nèi)行人”一眼就看出了門道：這樣的色彩多半是帶色素的微生物造成的，是什么微生物，它們又怎么能在溫度這么高（約70℃）的水中生存呢？

沒有人知道答案。于是第2年夏天，布洛克帶著這些問題，還有項(xiàng)目資金和他的一個(gè)本科生哈德森·弗里茲，回到了這里。

“探究黃石公園熱泉中的生物”這種暑期項(xiàng)目，現(xiàn)在聽起來像是個(gè)劃水的假期活動(dòng)，當(dāng)時(shí)的2人絕不會(huì)想到他們真的發(fā)現(xiàn)了一種新細(xì)菌，這種細(xì)菌還在20世紀(jì)80年代末開啟了現(xiàn)代分子生物學(xué)的新篇章，并且在新冠疫情蔓延的今天我們耳熟能詳?shù)腜CR核酸檢測(cè)，也少不了它的身影。

耐高溫的細(xì)菌

在70℃的“蘑菇泉”泉水中，2人分離出1種粉橙色的細(xì)菌，并把它命名為Thermusaquaticus，水生嗜熱菌。生活在水里，故為“aquaticus/水生”，在高溫中生存，故為“thermus/嗜熱”，簡單明了。

接下來的10年，2人主要的研究都集中在“為什么”：在當(dāng)時(shí)“生命能夠承受的最高溫度在55℃左右”的普遍認(rèn)知下，為什么水生嗜熱菌如此特別？生物都有它自身最適的溫度范疇，而一般決定這個(gè)范疇的是這種生物體內(nèi)的酶。作為蛋白質(zhì)，超過一定的溫度，酶就會(huì)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疇，所以它才能耐住高溫。

事實(shí)也正是這樣。1970年，布洛克和弗里茲在《細(xì)菌學(xué)》雜志上發(fā)表了他們對(duì)水生嗜熱菌的醛縮酶的研究成果——這種酶竟然在95℃活性最高，也就意味著它平常生活的70℃高溫也只是勉勉強(qiáng)強(qiáng)。

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、NADH氧化酶等生物體內(nèi)比較重要的酶也從水生嗜熱菌里被提取了出來。在其他酶都會(huì)支離破碎的高溫條件下，這些酶大放異彩，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(shí)代

1976年，中國臺(tái)灣科學(xué)家錢嘉韻教授的團(tuán)隊(duì)分離出1種“最適溫度在70℃，95℃仍然不失活”的DNA聚合酶。從水生嗜熱菌的學(xué)名Thermusaquaticus中取出首字母，它被簡稱為TaqDNA聚合酶。

然而，短暫的興奮后，卻是無盡的空虛;在解答了“為什么”之后，那個(gè)年代人們的想象力限制了他們問出下一個(gè)問題：“我們能用它嗎？”接下來是十幾年的沉寂，直到1988年，水生嗜熱菌等待的轉(zhuǎn)機(jī)才終于到來。

這一切離不開一個(gè)叫凱利·穆利斯的人。今天他為人熟知的身份，是聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）的發(fā)明者。

當(dāng)時(shí)，穆利斯是生物醫(yī)藥巨頭Cetus公司的一名研發(fā)人員，懂得“商機(jī)”的他知道這種復(fù)制擴(kuò)增生物核酸的技術(shù)需要做到規(guī)?；⒆詣?dòng)化、快捷化，才能體現(xiàn)出真正的價(jià)值。而在這條道路上的阻礙恰巧就在于PCR的核心——聚合酶的選用上。

復(fù)習(xí)一下中學(xué)的知識(shí)：PCR的原理是用高溫將初始的樣本DNA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(jì)地?cái)U(kuò)增，從而可以被可視化地分析。比如新冠病毒核酸檢測(cè)中，怎樣判斷陰性、陽性呢？就是通過PCR擴(kuò)增可能在鼻咽中存在的病毒核酸，達(dá)到一定數(shù)值即為陽性。

初期的PCR使用大腸桿菌（Escherichiacoli）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(huì)失活，導(dǎo)致加入的大腸桿菌聚合酶只能用1輪，而后面的幾十輪中的每一輪都需要手動(dòng)加入。想象一下今天，如果還只能使用這種酶的話，核酸檢測(cè)耗費(fèi)的人力、財(cái)力和時(shí)間恐怕都會(huì)成倍增長。

穆利斯曾經(jīng)說過：“我發(fā)明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(yùn)用起來了?！闭撬贑etus的團(tuán)隊(duì)重新“挖掘”出了已知非常耐熱的Taq聚合酶的研究，也正像是有如神助，這種酶的耐熱性、反應(yīng)活性和準(zhǔn)確性等性質(zhì)完全符合他們當(dāng)時(shí)對(duì)PCR聚合酶的所有期待——它簡直就像是為PCR而生的。

在Taq聚合酶商業(yè)化后的第2年，它就登上了《科學(xué)》雜志，成為建刊來第一個(gè)“年度分子”（MoleculeoftheYear）。它的應(yīng)用，再加上之后發(fā)明的可以自動(dòng)變換溫度的熱循環(huán)儀，標(biāo)志著經(jīng)典PCR完全體的誕生。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(jiǎng)。

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(huì)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(xì)菌其他可能的閃光點(diǎn)。

除了耐熱的酶之外，水生嗜熱菌的代謝方式、與周圍細(xì)菌的交互等是否也有利于它在這樣極端嚴(yán)苛環(huán)境下的存活？目前已知的包括水生嗜熱菌在內(nèi)只有2種嗜熱菌會(huì)形成的“圓小體”，是一種通過肽聚糖細(xì)胞壁將周邊細(xì)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(hù)和耐熱的作用，還可以幫助嗜熱菌在貧瘠的熱泉中儲(chǔ)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(jìn)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？今天的我們尚不知道，而基礎(chǔ)研究的魅力正在于此。

話說回來，如果你是一只會(huì)思考的水生嗜熱菌，你更愿意默默無聞地自由生活在黃石公園的一隅，還是生來便作為人類基礎(chǔ)研究的一部分，為世界知曉呢？