方陵生

世界上1%的微生物為人類提供了抗生素，如今該是開發(fā)和利用那剩下99%的微生物的時候了……

在閱讀“科學(xué)家的細菌育兒所”一文之前，讓我們先普及一下來了解以下的幾點知識：

1.什么是微生物

微生物是一切肉眼看不見或看不清的微小生物的總稱。形體微小，結(jié)構(gòu)簡單，通常要用光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡才能看清楚的生物，統(tǒng)稱為微生物。但也有少數(shù)微生物是肉眼可以看見的，像蘑菇、靈芝等真菌也是屬于微生物中的重要成員。本文的“主人公”細菌，當(dāng)然也是微生物家族的重要成員了！

2.為什么要研究微生物

首先，生命活動的基本規(guī)律，大多數(shù)是在研究微生物的過程中首先被闡明的。例如，利用酵母菌的無細胞制劑進行酒精發(fā)酵的研究，闡明了生物體內(nèi)糖酵解的途徑。其次，微生物學(xué)為分子遺傳學(xué)和分子生物學(xué)的創(chuàng)立、發(fā)展提供了基礎(chǔ)和依據(jù)，而且是它們進一步發(fā)展的必要工具。舉例來說，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的確定、遺傳密碼的揭露、中心法則的建立、RNA逆轉(zhuǎn)錄酶的發(fā)現(xiàn)，以及基因工程的誕生，都是用微生物做實驗完成的。第三，微生物學(xué)是基因工程乃至生物工程的主角。基因工程實質(zhì)上是體外切割和重組DNA片段的過程，而其中所需的供體、受體、載體及工具酶等“角色”，大都要由微生物來承擔(dān)和完成。第四，微生物的多樣性，歸根到底是基因的多樣性，它為研究生命科學(xué)提供了豐富的基因庫。第五，通過微生物的研究獲取新的抗生素。1928年英國細菌學(xué)家弗萊明就是通過研究細菌發(fā)現(xiàn)了世界上第一種抗生素———青霉素的。

3.如何來研究微生物

科學(xué)家目前最常用的方法就是在實驗室用培養(yǎng)皿培養(yǎng)微生物，然后再進行研究。培養(yǎng)皿是一種用于微生物培養(yǎng)或細胞培養(yǎng)的實驗室器皿，由一個平面圓盤狀的底和一個蓋組成，一般用玻璃或塑料制成。做這些研究也離不開細胞培養(yǎng)技術(shù)，另一方面，大多數(shù)的研究都是為了產(chǎn)生經(jīng)濟效益，細胞培養(yǎng)技術(shù)的高低可以直接影響到一些生物產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)能力。細胞培養(yǎng)技術(shù)無疑就成為了細胞生物學(xué)的基本技術(shù)。

舀起一撮土，或用棉簽擦拭口腔中的臉頰內(nèi)側(cè)，不出意外你什么也沒看見，但在那一撮土里，或在你擦拭過臉頰內(nèi)側(cè)的棉簽上，一定聚集了大量對人類來說依然神秘的各種微生物。

雖然你看不到微生物，但它們卻占了世界上生物量的一半以上。它們小小的生命卻擁有巨大的能力，許多致病性微生物能讓我們生病，很多微生物能保護農(nóng)作物或植物免受疾病和干旱困擾。今天，我們用來治病救人的幾乎所有的抗生素都來自于它們。

微生物如此重要，而我們對它們的了解之少令人吃驚。如果你將一撮土隨意撒入培養(yǎng)微生物的培養(yǎng)皿中，甚至連那1%的微生物都培養(yǎng)不出來。如果沒有一個興旺繁衍的微生物群落，我們對它們的研究幾乎是不可能的。一個不可否認的事實是，大多數(shù)微生物，就像組成宇宙空間大部分物質(zhì)的暗物質(zhì)一樣，至今仍然籠罩著一層神秘的面紗。

我們能夠揭開這層神秘面紗，讓這些小小的微生物為人類所用，造福人類嗎？可以想象，如果我們能設(shè)法從這些小小的微生物中開發(fā)出更多救命的抗生素，那將是一筆巨大的財富，對于人類健康更是具有重要而深遠的意義。

然而，事情卻沒有那么簡單。

難題：大多數(shù)微生物很難培養(yǎng)成功

這些小家伙挑剔而嬌貴。很多微生物在實驗室的培養(yǎng)皿中無法正常生長，因此我們必須學(xué)會如何滿足這些挑剔小家伙的胃口，引誘它們成長起來。

更重要的是，如今對微生物的探索對人類來說比以往任何時候都更迫切，原因之一是我們?nèi)缃裾幱凇翱股匚C”之中。不久前的一些新證據(jù)表明，一些細菌已開始對多粘菌素產(chǎn)生了抗藥性，而在抗生素家族中，多粘菌素已是我們目前最后的底牌，我們迫切需要新的抗生素來代替它們。

聽起來也許有些奇怪，我們用來對抗細菌的抗生素，通常都來自于細菌。事實上，許多細菌的抗生素分子就是它們在生存競爭中對付其他種類細菌的武器。以往研究人員就是通過這種途徑來發(fā)現(xiàn)抗生素的。他們將不同種類的細菌放在同一個培養(yǎng)皿中，如果發(fā)現(xiàn)某個種類的細菌群落能夠獨霸一方，周圍其他種類的細菌在生存競爭中都敗下陣來，被徹底清理干凈，那就是一個明顯的信號，表明這個細菌群落已經(jīng)產(chǎn)生了能夠殺死其他細菌的抗菌分子。然后研究人員通過多年辛勤的實驗，將這種抗菌物質(zhì)分離出來，并對其安全性進行檢測確定之后，研發(fā)出醫(yī)生用來治療病人的抗生素產(chǎn)品。

為什么大多數(shù)細菌很難在實驗室的培養(yǎng)皿中培養(yǎng)成功呢？一個原因是它們的生長速度太慢，另一個原因可能是它們需要某些化學(xué)物質(zhì)的平衡，而培養(yǎng)皿中通常無法提供這些條件來滿足它們的需要。

那么是否可以改變一下以往的做法，比如：將細菌群落在培養(yǎng)皿中“養(yǎng)育”的時間從過去通常的幾天時間延長到幾個星期，或者嘗試各種不同化學(xué)物質(zhì)的組合呢？

20世紀70年代，日本微生物學(xué)家首次開始了對這些“嬌貴”微生物進行培養(yǎng)的嘗試，并與美國密歇根大學(xué)的研究人員合作，通過在培養(yǎng)皿中提供不同的營養(yǎng)物質(zhì)，以及延長細菌培養(yǎng)時間的辦法，在土壤樣本中培養(yǎng)出了5%～10%的微生物。

美國西雅圖弗瑞德·哈金森癌癥研究中心研究人類微生物學(xué)的戴維·弗雷德里克斯也進行了類似的嘗試。在對一種人類女性陰道致病細菌進行研究的過程中，他對其中一兩種微生物連續(xù)培養(yǎng)了幾個星期，他還在培養(yǎng)皿中加入了來自人類女性陰道的代謝物。他發(fā)現(xiàn)，通過這些方法，可以誘導(dǎo)促使不同微生物群落的生長。

雖然這些實驗都取得了一定的成果，但目前沒有一個實驗室能夠從根本上解決問題。另外，在這些實驗中，研究人員不經(jīng)意間是否會給微生物帶來一些傷害呢？俄羅斯莫斯科微生物研究所的斯維特拉娜·戴迪什就是提出這個疑問的人之一。斯維特拉娜專門研究生長在北方濕地里的微生物，如泥炭沼澤里的微生物。她認為，實驗室里“填鴨式”的微生物喂養(yǎng)法，通過塞給微生物大量食物，促使它們快速生長的方法，對于這些在低營養(yǎng)環(huán)境下繁衍興旺的物種，無異于拔苗助長，有可能對它們是有害的。

細菌培養(yǎng)的新理論與新方法

20世紀70年代后期，當(dāng)時還在莫斯科國立大學(xué)的斯拉瓦·埃普斯坦仔細觀察了微生物不同物種之間的相互關(guān)系之后，似乎有了一絲明悟。他說：“你和我，以及所有的人類，都只是世間上無數(shù)物種中的一朵浪花，一道漣漪。就像人類不可能對1億年前的地球產(chǎn)生影響一樣，也不會影響到你我從這個世界上消失1億年之后的地球。真正能夠影響和塑造地球生命界的就是這些微生物?！?/p>

埃普斯坦認識到，培養(yǎng)皿中培養(yǎng)出來的微生物與“野生”微生物之間是有著巨大不同的。這個問題已困擾人類一百多年，埃普斯坦將它稱為“微生物學(xué)最古老的未解之謎”。這個問題吸引著他，讓他深深地沉迷其中。

埃普斯坦不贊成實驗室里給細菌填塞食物，以滿足微生物所謂特殊需要的做法，并認為這實際上只是我們的一種臆測而已。為什么大多數(shù)微生物無法人工培養(yǎng)生長，埃普斯坦有自己的一些想法和理論（見左邊鏈接“馴養(yǎng)微生物”）。

一開始，他想到了一個“欺騙迷惑”微生物的簡單方法，如果問題在于如何讓微生物擺脫它們對自然棲息環(huán)境的依賴性，那么就可以有一種變通辦法：是否可以取一些微生物樣本，封裝在一個滲透性容器內(nèi)，然后將這個容器放回這些微生物喜愛的自然生長環(huán)境中呢？微生物在它們熟悉和適應(yīng)的自然環(huán)境中會很好地生長起來。埃普斯坦的想法是：如果我們在自然環(huán)境中培養(yǎng)這些微生物，就不用操心去猜測如何給它們提供合適的生長條件了，大自然會給這些微生物提供它們所需要的一切。

但是，要將設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實，卻并非容易。但埃普斯坦還是嘗試去做了。他的團隊從土壤樣本中提取微生物，將它們放置在一個內(nèi)有瓊脂膠狀物的金屬圓盤中，兩面都用薄膜封住。但這薄膜需要有一個關(guān)鍵性的特點：它有許多極細小的小孔，細菌無法出入，但土壤中所有的化學(xué)物質(zhì)都可以通過這些小孔滲透進入。

他們將這些圓盤埋在研究所外面的地里，同時在實驗室培養(yǎng)皿中培養(yǎng)相同土壤樣本中的微生物。1萬種土壤微生物中，只有其中1%能在實驗室里生長起來，但埋在地金屬圓盤中的微生物有20%～30%的種類都開始生長起來了。在這一發(fā)現(xiàn)的鼓舞下，埃普斯坦和他的同事基姆·萊維斯合作開辦了一家名為Novobiotic生物制藥公司，一起研究開發(fā)抗生素。

接下來就是尋找如何分別培養(yǎng)這些微生物的方法了。通過一種叫作iChip的裝置（見上圖），新抗生素的發(fā)現(xiàn)將比以前更加方便快捷。iChip的每個微小井格中只放置一個微生物細胞，這樣它們可生長成為非常純的微生物群落。

在過去12年里，Novobiotic公司已培養(yǎng)了5萬種難以培養(yǎng)的微生物菌種，并在其中發(fā)現(xiàn)了25種新抗生素。一年前，新抗生素不同尋常的殺菌方式成為報紙頭條而引起人們關(guān)注，這種方式可令細菌更難以產(chǎn)生抗藥性。

當(dāng)然，發(fā)現(xiàn)的這25種抗生素并非都是有實際用途的，其中許多對人體細胞和對細菌同樣都有毒害作用，關(guān)鍵是這種發(fā)現(xiàn)抗生素的速度很是驚人。這家生物公司每培育2000個微生物菌種，就能發(fā)現(xiàn)一種候選抗生素。埃普斯坦說道，這比以傳統(tǒng)方式研發(fā)抗生素的制藥產(chǎn)業(yè)的開發(fā)速度要快得多了。

在這25種新發(fā)現(xiàn)的分子中，有兩種似乎對肺結(jié)核特別有效。一些對人體細胞有毒害作用的抗生素也有它們的用武之地，通?？捎糜陂_發(fā)抗癌藥物，因此它們也并非一無是處。

無獨有偶，美國的卡爾森·曾格勒也在嘗試以模擬微生物自然環(huán)境的方法培育微生物。具體方法是將某種微生物菌種的液滴外包上一層可滲透的凝膠狀物，然后將這種膠囊放進與含有微生物原生環(huán)境相同成分的溶液中。

曾格勒對來自人體的微生物進行了培育，在此之前人體微生物中有一半能夠進行人工培育，而在使用了曾格勒的新技術(shù)后，可誘使之前無法人工培育的那部分微生物也能在實驗室里生長。通過這種方法“馴服”的微生物中，有一種生存在皮膚中的微生物，這種微生物含有的一種成分可有望開發(fā)出抗皮膚炎癥的新藥。

唯一的不足之處是，這種方法只適用于其生存環(huán)境中的液體可以提取和利用的微生物。還有一點是，這種方法需要一些專門的設(shè)備和技術(shù)，曾格勒已經(jīng)和一家公司合資生產(chǎn)可以普遍使用的配套設(shè)備。

還有一些微生物的研究者走的是完全不同的路徑，他們不培養(yǎng)微生物，而是在有關(guān)的微生物的生存環(huán)境中提取這些微生物的DNA，然后直接進行研究。這種方法被稱為元基因組學(xué)，或基因組分析，這種方法可以在某種微生物生存環(huán)境中，迅速獲得各種不同微生物的基因組“快照”，令開發(fā)新藥的過程更方便更快捷。比如，在某處泥土里發(fā)現(xiàn)了令你感興趣的基因，通過基因工程將它們插入一些熟悉的物種，如大腸桿菌，然后看看結(jié)果會如何。英屬哥倫比亞大學(xué)的朱利安·戴維斯非常支持這個辦法，認為它是發(fā)現(xiàn)新抗生素的一條有效途徑。

問題是，到目前為止，我們還沒能通過這種方法開發(fā)出任何新的抗生素，主要的原因是很難判斷究竟哪些DNA片斷決定相關(guān)分子的產(chǎn)生。因此目前看來，研究人員還得繼續(xù)通過耐心培養(yǎng)新微生物的方法來發(fā)現(xiàn)新的抗生素，埃普斯坦和曾格勒的技術(shù)也顯得尤為重要。接下來要做的是如何進一步優(yōu)化這一技術(shù)。Novobiotic公司從區(qū)區(qū)幾百份土壤樣本中就發(fā)現(xiàn)了25種候選抗生素，利用這一技術(shù)發(fā)現(xiàn)新抗生素顯然大有可為。

在尋找新抗生素的道路上，埃普斯坦并不只將目光放在地球表面幾厘米的表層土壤中，他對開發(fā)廣袤海洋中的龐大微生物資源也產(chǎn)生了極大的興趣，他說，海洋是我們尋找抗生素的巨大寶庫。他希望能開發(fā)出一種適合海洋環(huán)境的新版本的iChip。目前，他已經(jīng)開發(fā)出一種可以放進牙套中的iChip，用它來培育口腔中的微生物。

弗雷德里克斯也很看好這一技術(shù)，他說他會將這一技術(shù)應(yīng)用于他的專業(yè)研究領(lǐng)域：人類女性陰道微生物，也許可以考慮將iChip封裝在類似節(jié)育環(huán)的裝置里。

微小而強大的微生物，雖然我們看不到它們，雖然它們隱藏在我們的身體深處，但通過研究人員不懈的努力，微生物領(lǐng)域內(nèi)的“暗物質(zhì)”之謎正在被慢慢揭開，微生物造福人類的未來，我們期待著。

馴養(yǎng)微生物

為什么大多數(shù)微生物無法在培養(yǎng)皿中成長？可能是因為培養(yǎng)皿中的化學(xué)物質(zhì)和食物無法適合它們的需要，現(xiàn)任美國東北大學(xué)特聘教授的斯拉瓦·埃普斯坦的想法與眾不同。

土壤自然環(huán)境中的許多微生物會有一個很長的休眠期。埃普斯坦認為，它們何時蘇醒，并不取決于周圍環(huán)境的影響，比如新的食物來源等，而完全是一種隨機的行為。

有證據(jù)表明這些沉睡中的微生物的存在。埃普斯坦的實驗室和其他一些實驗室的結(jié)果都表明，將一些細菌或真菌樣本放在培養(yǎng)皿中幾個月，其中的一些種類就會隨機生長起來。

然而，事情并非如此簡單。因為即使你得到了這樣一個土壤中的微生物群落，然后將它們放在培養(yǎng)皿中培養(yǎng)，通常也極不穩(wěn)定。

埃普斯坦對此解釋道，休眠的細菌細胞有些像生物體體內(nèi)可生長為任何其他類型細胞的干細胞，他認為這些細菌的細胞基因也是一樣，它們適應(yīng)于各種不同的環(huán)境或開啟或關(guān)閉，但只要一旦開始增殖，就會固定于某個特定的模式。這意味著，如果你將某種細菌的細胞轉(zhuǎn)移到新的環(huán)境中，它們會不知所措而停止生長。

但如果某種微生物進入休眠狀態(tài)，其基因表達就會被重新設(shè)定。因此如果你想要在一個新的環(huán)境中培養(yǎng)某個微生物菌落，就必須使用休眠的細胞。研究人員發(fā)明了一種微生物“育兒所”iChip，可讓微生物在里面“快樂”生長。土壤樣本中混合的微生物中，有休眠細胞，也有生長中的細胞，有效增加休眠細胞的數(shù)量可提高實驗室里培養(yǎng)微生物的成功率，按照埃普斯坦的說法，你得“馴養(yǎng)”這些微生物。