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干货收藏:7600字解读细菌的八大超能力

干货收藏:7600字解读细菌的八大超能力

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2020/08/03 09:17
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干货收藏:7600字解读细菌的八大超能力

干货收藏:7600字解读细菌的八大超能力

 

编者按:
 
随着对微生物的认识了解越来越多,我们越来越意识到这一类生物的奇妙之处。它们的厉害之处不仅体现在对人体健康的重要性,还体现在它们神奇“超能力”。从吞噬污染物、利用空气发电,到产生蛋白质,再到吃掉抗生素,似乎我们制造出的各种麻烦都可以被它们解决。
 
今天,我们特别编译发表在 Science Focus 杂志上题为 Bacteria:The miracle microbes that could fix planet 的文章,希望给各位读者带来一些启发和帮助。
 
 

细菌:超能力者

 
我们有麻烦了:我们对化石燃料的过度依赖以及对高碳足迹食物的过分偏好,对气候环境造成了毁灭性的破坏;我们所处的抛弃性社会(throwaway society)用不计其数的塑料制品淹没了陆地,污染了海洋;我们的世界正面临着日益严重的公共卫生危机,而这一危机正是由日益增多且无法用抗生素杀死的致病微生物引发的。
 
(编者注:碳足迹指个人、组织、事件所造成的温室气体排放总量;抛弃型社会是由托勒夫首先提出来,该词汇本意是在批评,现在指人们过度消费和过度生产一次性或者短命的产品的行为。)
 
为了应对这些危机,人们一直在寻找解决方法,而过去几年里出现了一些令人鼓舞的消息,比如:我们已经可以把大气中的二氧化碳从空气中抽离,以减缓世界气候变化的步伐;我们也有可能在不产生大量碳足迹的情况下,生产出高质量的蛋白质,并且我们也已经可以清除某些污染,还找到了一些解决抗生素耐药性的方法。
 
而这一切突破的共同点是什么呢?是细菌。尽管这听起来似乎几乎不可能,但我们未来的健康和幸福,可能真的需要依靠这些不起眼的微生物们。

 

 

人类健康:可以改善疾病的有益菌

 
某些细菌会对人类的健康产生有害影响,它们会导致致命的疾病,包括肺结核和霍乱,但抗生素的横空问世为许多疾病提供了有效的治疗手段。因此,抗生素被认为是 20 世纪最伟大的发现之一,比如在过去 80 年里,仅青霉素就拯救了大约 2 亿人的生命。
 
不过,细菌对人类的健康也存有益处。最近,我们了解到,我们每个人的皮肤上和内脏里都存活着数万亿计的细菌和其它微生物,而这些微生物对宿主的健康至关重要。
 
它们不仅能够帮助我们从食物中提取出能量,而且这些“好”细菌有时还能保护我们免受致病的“坏”细菌的伤害。这是因为如果有益细菌占据了所有可用的生存空间,有害细菌就无法存活。
 
但是如果我们“干预”它们,那情况可能就不一样了。抗生素被用于治疗某些疾病,但是长期服用抗生素的一个缺点是,这些药物会杀死我们肠道中的一些有益细菌,从而让艰难梭菌等致病微生物得以在肠道中生存。而艰难梭菌感染可导致腹泻、恶心和发烧等症状。
 
不过,过去几十年的研究揭示了一种治疗艰难梭菌感染的令人感到惊讶的方法。如果我们将健康志愿者的粪便移植到患者的肠道中,那么,粪便中存在的有益细菌或许就能够战胜在那里生长的艰难梭菌。
 
“粪菌移植”也可以用于帮助治疗其他的一些疾病。但目前还不清楚它们具体是如何做到的。美国田纳西州 Vanderbilt 大学的 Seth Bordenstein 教授致力于研究动物、微生物和病毒之间的相互作用。他指出,粪便样本中的哪种细菌对人体健康有益,我们对此并不清楚。
 
除了粪菌移植,我们还可以将有些细菌运用到医学领域,因为我们已经了解它们是如何工作的。大肠杆菌尤其如此,它是一种生活在人体内的条件致病菌。
 
在过去的几十年里,研究人员们已经对大肠杆菌有了很多了解,现在它本质上是一台可以用来治疗疾病的微型可编程生物计算机。
 
纽约哥伦比亚大学的博士生 Candice Gurbatri 说:“一些有益于健康的大肠杆菌菌株,可以锚定并特异地生长在癌症肿瘤内,这使得它们可以成为合适的癌症治疗载体。”
 
Gurbatri 正在与同样来自哥伦比亚大学的 Tal Danino 教授合作,尝试对大肠杆菌这种“寻找”肿瘤的行为加以利用。他们在大肠杆菌中插入了外源 DNA,以使这种细菌能够制造出被称为“纳米抗体”的强效抗癌分子。
 
被插入的外源 DNA 片段能够让大肠杆菌在肿瘤内繁殖到一定程度就发生“自我毁灭”,从而在肿瘤内释放大量的纳米抗体。因此,如果能够成功的话,当这些大肠杆菌被肿瘤患者吞食后,它们会瞄准体内的肿瘤并帮助机体破坏肿瘤。
 
今年早些时候,Gurbatri、Danino 和他们的同事们在老鼠的身上测试了这种方法,并取得了令人激动的结果。但是,在开始进行人体试验之前,还需要扫除一些监管方面的障碍。确实,要真的将基因工程微生物用于治疗人类疾病,人们肯定会存有伦理和安全方面的顾虑。

 

 

可再生能源:细菌生物燃料的前景

 
细菌是非凡的化学家。他们不仅可以生产出强大的抗癌药物,还可以生产出大量的可再生的生物燃料。
 
今年早些时候,曼彻斯特大学的 Nigel Scrutton 教授和他的同事们发表了一项研究,并在成果中展示了细菌的这种潜力。
 
他们改良了一种被称为“成纤维细胞激活蛋白”(FAP)的蛋白酶,这种酶广泛存在于许多细菌中,使得细菌可以通过发酵作用来分解人类食物中的废物,并产生出丙烷气体,而丙烷可作为运输燃料或用于家庭取暖和烹饪。
 
作为已具有商业价值的“系统”,该研究项目本身已经具备良好的开端。而Scrutton 和他的同事们通过将他们的酶插入到盐单胞菌(Halomonas)中,进一步大大提高了工业化的成功几率。因为,盐单胞菌是少数几个能够在高度碱性的水体中生存的微生物。
 
目前,大多数的工业发酵系统都是用钢材建造的,要求进行仔细的消毒,以确保没有“流氓”微生物渗透进入发酵罐中,从而避免发酵效率降低。但由于盐单胞菌发酵系统是使用盐水进行操作的,因此就无需进行昂贵的灭菌操作,因为在盐水中,基本上只有盐单胞菌才能够存活。
 
“你甚至可以在由塑料材料制成的廉价的反应器中进行这种发酵反应。” Scrutton 说道,“它降低了成本。”
 
细菌还可以通过其它几种方式产生生物燃料。
 
其中一种方法,涉及到一些不寻常的细菌。它们可以通过“吞食”和“排泄”电子(带负电荷的亚原子粒子)来产生出电能。在合适的环境中插入电极,随之,一群具有“电活性”的细菌就会开始在电极周围栖息生长。
 
马萨诸塞州大学的 Derek Lovley 教授和他的同事们,围绕如何有效利用这些微生物来生产可再生能源这一问题展开了多年的研究。
 
2010 年,他们捕获了一种叫做卵形孢子菌(Sporomusa ovata)的细菌,然后逐渐让它们失去所喜欢的“食物”——氢,同时为它们提供充足的电力。
 
最终,这种微生物适应了以电子而不是氢作为食物,并学会了如何利用电能将二氧化碳转化为醋酸盐,而醋酸盐具有商业价值,可以被转化为生物燃料或塑料。
 
Lovley 把这个过程称为“微生物电合成”。它比基于农业生产生物燃料更具潜力,因为在微生物的合成过程中,用于为之提供能量的电力可以来自太阳能电池板,这是一种比目前用于制造生物燃料的油菜籽等光合植物更加有效地获取太阳能的方式。
 
今年的早些时候,Lovley 和他的同事们还为我们揭示了细菌生产可持续能源的另一种方式。一些有电活性的细菌会长出微小的导电毛发:当研究人员拔掉这些毛发,并把它们夹在两块导电的金片之间时,他们发现这种设备竟然可以自发的发电。
 
他们的“空气发电”装置直接从空气中提取出电力,没错,是利用湿度的差异来实现这一目的的。
 
Lovley 和他的团队预测,如果他们可以成功扩大空气发电设备的规模,那么它的性能将超过今天的商用太阳能电池板,而且与太阳能电池板不同的是,这种空气发电装置还可以在夜间工作。

 

净化水:以脏水为食的细菌

 
细菌是自然界里的终极回收者。虽然在传统认知里,人类将污水视为废物,但细菌却一直将其视为食物。这就是为什么细菌能够在污水处理厂中扮演重要角色的原因。
 
但运营这些工厂的成本可能会很高:通常情况下,我们依靠耗氧微生物来分解废物,这意味着我们必须通过运行成本高昂的空气泵,以对废水水体进行持续的曝气。
 
马萨诸塞州 Cambrian Innovation 公司的联合创始人兼首席执行官 Matthew Silver 表示,事情或许可以是另一番模样。Cambrian 公司发明出了一种清洁工业废水的新方法,这种废水处理方法所产生的能量大于其消耗的能量。
 
Silver 说,这是可能的,因为工业废水中通常充满着能量。例如,乳制品工业的废水中含有丰富的碳水化合物和蛋白质。“我们处理的污水中的复杂碳水化合物和燃料差不多。”他说。
 
该公司的废水处理系统主要依靠于能在无氧环境下生长的细菌,这节省了气泵的成本。该系统利用包括地杆菌属(Geobacter) 和希瓦氏菌属(Shewanella)在内的“电活性”微生物,消耗掉水中的废物,并排出电子和其他带电粒子。
 
编者注:地杆菌属和希瓦氏菌属是目前研究最系统的铁呼吸菌属,通常被用于构建胞外呼吸电子传递链的模型。
 
而系统中另一批被称为“甲烷”细菌的微生物则会利用这些废物颗粒作为能量来源,将二氧化碳转化为甲烷气体。“然后,甲烷可以通过燃烧来产生热量或电能。” Silver 说。
 
利用微生物来同时处理废水和发电的想法,可以追溯到 15 年前,但是要从实验室的示范样例发展为具有操作性、可商业化的系统则困难重重。
 
纽约康奈尔大学的 Buz Barstow 教授致力于开发细菌发电的潜力,他说:“城市污水中的能量密度很低,所以为了提供更多的能量,你需要处理的污水水体的容量必须是巨大的。”
 
但 Silver 认为,当这种技术被应用到工业场所时,其经济效益就会变得更加具有吸引力,因为工业废水中通常比城市污水中包含有更高的能量。

图.光合细菌可以利用来自太阳的能量将 CO转化为食物
 
 

食物:来自稀薄空气的蛋白质?

 
细菌可以养活整个世界。一些细菌可将二氧化碳转化为有价值的燃料,而另一些细菌——被称为“hydrogenotrophs”,可以将二氧化碳转化为适合人类食用的蛋白质。
 
从某种意义上说,这并不令人感到惊讶。我们吃的植物或者喂食给牲畜的植物之所以能够进行生长,正是因为它们能够从太阳中吸收能量,然后把二氧化碳转化为碳水化合物。严格地说,植物并没有进化出将二氧化碳转化为食物的能力:它们只是通过将光合细菌整合到细胞中才得以获得这项技能。
 
在捕获太阳能方面,太阳能电池板比光合生物更有效率,这就提出了一个有趣的可能性:如果我们能利用太阳能帮助细菌从二氧化碳中生成出蛋白质,那么我们就能比以前更加有效地种植食物。
 
Solar Foods,一家芬兰初创公司,是几家致力于将这种非光合作用食品商业化的公司之一。该公司的首席执行官 Pasi Vainikka 博士说,这种方法涉及利用太阳能电池板的能量分解水分子并产生出氢气。
 
然后,Solar Foods 会将产生的氢气供给在发酵罐中生长的细菌——出于商业原因,Vainikka 不愿透露该细菌究竟是哪种水生生物。这些微生物利用氢气作为能源,将大气中的二氧化碳转化为高质量的蛋白质,从而取代我们饮食中的动物蛋白质。
 
“我们正在切断粮食生产与农业的联系。”Vainikka 说。这样做是有好处的。例如,在未来几年 Solar Foods 将使用的发酵罐,并不会占用太多空间。“我们基本上是在经营一家啤酒厂。”他表示。
 
即便考虑到发酵罐必须连接到太阳能发电厂的事实,Solar Foods 公司的生产模式对土地的总需求量仍然是很小的:Vainikka 估计,如果利用 Solar Foods 的生产模式,那么可能只需要传统农场所需的二十分之一的土地,就能生产出数量相当的蛋白质。
 
这种模式的诞生有可能会使一些农田变成森林,而森林会比农田吸收更多的二氧化碳。“在系统层面上,我们可能是负碳的。”Vainikka 说道。
 
Barstow 说,研究表明,利用细菌和其他微生物生产对地球友好的蛋白质,是具有很大的应用前景的。
 
Vainikka 设想将 Solar Foods 的产品作为一种添加剂,以提高面包和意大利面等食物或燕麦牛奶等植物性饮料中的蛋白质含量。
 
尽管该公司以及其他类似的公司的成败最终取决于消费者的态度,但我们有理由乐观地认为,消费者可能会欢迎并愿意食用细菌蛋白的。毕竟,多年以来,英国制造商 Quorn 一直都在销售由微生物产生的蛋白质,尽管它是由真菌而不是细菌制造的。

图.将太阳能电池板与大肠杆菌结合的系统可以有效地从大气中去除 CO2
 
 

气候变化:消耗温室气体

 
虽然细菌的个头往往很小,但它们却可能在限制气候变化的斗争中产生巨大的影响。这是因为许多种类的细菌能“吃掉”二氧化碳,而二氧化碳正是主要的温室气体。但是这个想法有一个缺陷:细菌只是在缓慢地消耗二氧化碳。
 
生长快速的微生物能够消耗掉更多的二氧化碳,但是通常来说这样的细菌更喜欢吃糖类而不是二氧化碳。然而,在去年,以色列魏茨曼科学研究所的 Ron Milo 教授和他的同事们发现,或许可以将一种快速生长的微生物——大肠杆菌改造成二氧化碳消耗者。
 
Milo 的团队通过向大肠杆菌中插入光合细菌中控制消耗二氧化碳的 DNA 片段,以对大肠杆菌进行改造。然后,他们将大肠杆菌放在一个高浓度二氧化碳且几乎没有糖类物质的环境中。大约一年后,大肠杆菌可以进化为适应以二氧化碳为食的细菌。
 
该团队成员 Shmuel Gleizer 博士说:“我们的工作提供了一个概念证明,那就是,在合理的时间范围内,可以使常见微生物的代谢发生剧烈变化。”
 
大肠杆菌可从甲酸盐中获得消耗二氧化碳所需要的能量。甲酸盐是一种化学物质,可由太阳能电池板的可再生能源产生。Gleizer 说,从理论上讲,在清除大气中的二氧化碳方面,太阳能电池板—大肠杆菌系统的清除效率,可能是光合作用的 10 倍。
 
德国格雷夫斯瓦尔德大学(University of Greifswald)的生物技术专家 Uwe Bornscheuer 教授(他并没有参与这项研究)说:“说实话,我认为这是一项重大突破。”他补充说道,随着研究的深入,该系统的利用可能对全球变暖产生重要的积极影响。
 
还有一些科学家们正在进行“土壤益生菌”的实验,他们在我们脚下的泥土中注入精心挑选的微生物,而这些微生物既能提高土壤的碳储存能力,又能加快种植在土壤中的作物的生长速度。
 
一些研究人员声称,在施用土壤益生菌后,一公顷农田便可以额外储存10吨二氧化碳。他们说,这意味着世界农业用地完全有潜力吸收掉人类一年排放的所有碳。
 
但是这样的研究是有争议的。根据澳大利亚南昆士兰大学(University of Southern Queensland)的生态学家 Adam Frew 博士的说法,目前面临的问题在于,我们对土壤中微生物群落的性质了解不够,这使得对它们进行有益的改造变得十分困难。
 
“没有简单的捷径可行。”他说道。微生物可能有能力提高土壤的碳储存潜力,但更好的方法可能是通过更好地滋养已经生活在泥土中的微生物,而不是通过增加新的微生物来实现这一目的。

 

图.Deepwater Horizon 石油泄漏发生后,在浮油中发现了能够清理污染的细菌
 
 

清理污染

 
细菌可以吃掉几乎所有含有碳的东西。一些微生物甚至已经适应了吞食泄漏的石油和其他形式的污染物。位于密苏里州圣路易斯的华盛顿大学微生物学家 Gautam Dantas 教授表示:“在(2010 年墨西哥湾的)深水地平线石油漏油地点的附近,有大量的细菌在那里滋生和繁殖。”
 
这种吞噬石油的能力,并没有被忽视:世界各地的研究人员们正在分析石油泄漏地点附近的土壤中的细菌群落,以确定何种细菌最善于降解石油污染物。他们的想法是,将由可吞噬石油的微生物组成的混合物,注入到世界上任何一个石油污染严重的地方的土壤中。
 
这种方法的一个潜在问题是,就像作用于农作物的土壤益生菌一样,我们对土壤微生物群落的了解太少。
 
德国亥姆霍兹环境研究中心(Helmholtz Centre for Environmental Research)的 Hermann Heipieper 博士说:“添加到土壤中的微生物,很可能会与当地原有的微生物发生生存竞争。”
 
但毫无疑问的是细菌仍然清洁工作的重要组成部分。无论如何,我们都要记住的是,微生物具有惊人的进化和适应并消耗新食物的能力。
 
如果工厂周围的土壤被石油污染了,那么,土壤中的一些微生物就有可能开始吞噬它。我们可以通过为这些微生物们提供保证其健康所需的其他营养物质,来帮助它们更快地消化食物——这是一种被称为“生物刺激”的方法。
 
“这通常是通过添加氮、磷和铁肥料等物质来实现的。”Heipieper 说道。
 
也有可能对细菌进行基因改造,以使它们将重金属(比如汞)转化为毒性较小的形式,但是将转基因生物释放到大自然中,存在着伦理和安全方面的隐患。

 

图.分解塑料的酶
 
 

塑料的问题

 
细菌的口味,并不挑剔。和石油一样,它们也会吃我们用石油制造的含碳产品,比如塑料。
 
2016 年,日本的一个团队前往一个废物回收点,收集了用于制造饮料瓶和衣服中的聚酯纤维的塑料——聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)样本。他们发现,在一些样本上,存在吃食塑料制品的细菌。
 
这些微生物利用一对被称为“PETase”和“MHETase”的催化酶,将塑料制品分解为更小的分子,如乙二醇等。而这些小分子则可以被回收以制造出新的塑料制品。研究人员们将这种细菌命名为 Sakaiensis
 
让这一发现更加变得令人吃惊的是,PET 塑料对自然界产生污染的时间,还不到 80 年。Bornscheuer 说:“这种细菌进化出吃食这种新型人造碳源的时间并不长。”
 
Sakaiensis 在环境中以缓慢地速度进食塑料制品,但生物学家们可以尝试分离出细菌内消化塑料制品的催化酶,并调整其分子结构,以使其“消化”塑料制品的能力变得更强。
 
2018年,朴茨茅斯大学(University of Portsmouth)的 John McGeehan 教授领导的一个研究小组,设计出了一种叫做 sakaiensis PETase 的催化酶,这种酶将分解塑料的效率提高了将近 20%。
 
目前,他们正在试图发现和改造其他有效的细菌酶,以将其付诸于商业用途,让其去消除一系列污染塑料。
 
今年早些时候发表的一项研究表明,这种想法或许是可以实现的。在大约 10 年前,法国 Carbios 公司的研究人员们从一个垃圾堆里分离出一种细菌噬塑酶——LCC,并在实验室中对其分子结构进行了改变。
 
通常情况下,这种酶要分解掉 PET 塑料需要长达几天的时间,而改造后的版本则只需几个小时。研究人员们尝试使用这种酶来分解废弃 PET 塑料,并将分解物制作成塑料瓶,结果与用石油制作的“天然”塑料瓶一模一样。
 
“这是一个很棒的理论验证,酶可以被改造,以帮助我们回收对环境构成最大程度污染的塑料制品。”McGeehan 说道,他并没有参与这项研究。
 
并不是只有 PET 塑料可被细菌吃掉。在今年早些时候,Heipieper 和他所在的德国亥姆霍兹环境研究中心(Helmholtz Centre for Environmental Research)团队发现了一些证据,证明一些细菌可能具备分解用于制造绝缘材料和汽车部件的聚氨酯的能力。
 
McGeehan 说:“关于细菌可以降解塑料的报告接连被发布出来——这真的令人感到无比的兴奋。”
 
 

抵抗抗生素

 
直到 1928 年,Alexander Fleming 才发现了第一种抗生素——青霉素。这是一个非常重要的发现,以至于时到如今,我们仍然在依赖这些杀菌药物来保持健康。
 
但使用(和过度使用)抗生素,使得我们的环境中到处都充斥着各种的抗生素。这给细菌提供了足够的机会,以进化出应对各种药物的耐药性。然而,令人惊讶的是,细菌可能能够协助我们解决它们制造的问题,因为它们中一些物种可以吃掉抗生素。
 
“我已经为此工作了十几年,但它的发生仍然让我感到惊讶。” Dantas 说道。
 
在 2018 年,Dantas 和他的同事们阐明了具体是哪些酶可以帮助土壤细菌吃掉青霉素。然后,他们把这种特殊的能力转移到超级普通并且几乎无害的大肠杆菌上。
 
尽管 Dantas 指出,在实现这一目标之前,仍然存在着很多重大的障碍需要去克服,但这种经过改良的细菌,最终有可能被应用于污水处理厂,以实现从水中去除抗生素。
 
也许目前要考虑的最大问题是,微生物会与它们遇到的其他微生物交换 DNA 片段,因此,人们真正担心的是,吃抗生素的基因也会进入到其他细菌中去,并最终进入导致危险疾病的物种中。这样的话,有害细菌也会获得这种用于对抗它们的基因。
 
但是如果有足够的时间来研究这些细菌,研究人员们应该极有可能会找到克服这些障碍的方法,并把细菌改造成对抗抗生素耐药性的关键武器。
 
这种想法不会让任何一个意识到细菌的惊人的潜在能力的人们感到吃惊,因为它们必须克服我们给它们带来的诸多挑战——从消除二氧化碳、塑料和污染物,到生产食物、清洁水、可再生能源和进行靶向癌症治疗。