为核酸检测立下汗马功劳的细菌

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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