1964年,38岁的托马斯·布洛克(Thomas Brock)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°C)的水中生存呢?

没有人知道答案。于是第二年夏天,布洛克带着这些问题——这次,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,当时的两人绝不会想到他们真的发现了一种新细菌,这种细菌还在上世纪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摄氏度的“蘑菇泉”(Mushroom Spring)泉水中,两人分离出一种粉橙色的细菌,并把它命名为“Thermus aquaticus”,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。

接下来的十年,两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度活性最高,也就意味着它平常生活的70度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。在其它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一种“最适温度在七十多度,九十五度仍然不失活”的DNA聚合酶。从水生嗜热菌的学名Thermus aquaticus中取出首字母,它被简称为Taq DNA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做凯利·穆利斯(Kary Mullis)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(Escherichia coli)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”出了已知非常耐热的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二年,它就登上了科学杂志,成为建刊来第一个“年度分子”(Molecule of the Year)。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它可能的闪光点。

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只有两种嗜热菌会形成的“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?