你做的每一次核酸检测，都离不开这种细菌的功劳

Yab

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。作为地标景点的彩色热泉，当然也是他的“必看”之一。

对于其他人来说，可能拍两张照片，和家人朋友分享一下，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名细菌学教授，而“内行人”一眼就看出了门道：这样的色彩多半是带色素的微生物造成的，是什么微生物，它们又怎么能在温度这么高（约70℃）的水中生存呢？

没有人知道答案。于是第2年夏天，布洛克带着这些问题，还有项目资金和他的一个本科生哈德森·弗里兹，回到了这里。

“探究黄石公园热泉中的生物”这种暑期项目，现在听起来像是个划水的假期活动，当时的2人绝不会想到他们真的发现了一种新细菌，这种细菌还在20世纪80年代末开启了现代分子生物学的新篇章，并且在新冠疫情蔓延的今天我们耳熟能详的PCR核酸检测，也少不了它的身影。

耐高温的细菌

在70℃的“蘑菇泉”泉水中，2人分离出1种粉橙色的细菌，并把它命名为Thermusaquaticus，水生嗜热菌。生活在水里，故为“aquaticus/水生”，在高温中生存，故为“thermus/嗜热”，简单明了。

接下来的10年，2人主要的研究都集中在“为什么”：在当时“生命能够承受的最高温度在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的温度范畴，而一般决定这个范畴的是这种生物体内的酶。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畴，所以它才能耐住高温。

事实也正是这样。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95℃活性最高，也就意味着它平常生活的70℃高温也只是勉勉强强。

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、NADH氧化酶等生物体内比较重要的酶也从水生嗜热菌里被提取了出来。在其他酶都会支离破碎的高温条件下，这些酶大放异彩，首次为科学家展示了很多反应的其他可能性。

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1种“最适温度在70℃，95℃仍然不失活”的DNA聚合酶。从水生嗜热菌的学名Thermusaquaticus中取出首字母，它被简称为TaqDNA聚合酶。

然而，短暂的兴奋后，却是无尽的空虚;在解答了“为什么”之后，那个年代人们的想象力限制了他们问出下一个问题：“我们能用它吗？”接下来是十几年的沉寂，直到1988年，水生嗜热菌等待的转机才终于到来。

这一切离不开一个叫凯利·穆利斯的人。今天他为人熟知的身份，是聚合酶链式反应（PCR）的发明者。

当时，穆利斯是生物医药巨头Cetus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。而在这条道路上的阻碍恰巧就在于PCR的核心——聚合酶的选用上。

复习一下中学的知识：PCR的原理是用高温将初始的样本DNA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。比如新冠病毒核酸检测中，怎样判断阴性、阳性呢？就是通过PCR扩增可能在鼻咽中存在的病毒核酸，达到一定数值即为阳性。

初期的PCR使用大肠杆菌（Escherichiacoli）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1轮，而后面的几十轮中的每一轮都需要手动加入。想象一下今天，如果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。

穆利斯曾经说过：“我发明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Cetus的团队重新“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，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——它简直就像是为PCR而生的。

在Taq聚合酶商业化后的第2年，它就登上了《科学》杂志，成为建刊来第一个“年度分子”（MoleculeoftheYear）。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，标志着经典PCR完全体的诞生。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。

嗜热菌的未来

回到水生嗜热菌本身，在各大搜索引擎、书籍文章中搜寻它的身影，你会发现PCR相关的故事占据了绝大多数的篇幅。这样的“光环”反倒遮盖了这种细菌其他可能的闪光点。

除了耐热的酶之外，水生嗜热菌的代谢方式、与周围细菌的交互等是否也有利于它在这样极端严苛环境下的存活？目前已知的包括水生嗜热菌在内只有2种嗜热菌会形成的“圆小体”，是一种通过肽聚糖细胞壁将周边细菌连接起来的球状构造，它是否像科学家假设的那样能够起到保护和耐热的作用，还可以帮助嗜热菌在贫瘠的热泉中储存营养？和亲缘关系较近的非嗜热菌相比，又有怎样的进化故事让它们适应了现在的生活方式？

这一切都还是未知。

解答这些看起来足够基础、冷门的问题，只是满足生物学家的求知欲，还是将来也能造就Taq聚合酶那样的奇迹呢？今天的我们尚不知道，而基础研究的魅力正在于此。

话说回来，如果你是一只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？