神奇细菌,让你意想不到

科学家已经在实验室中培育出了种种有益细菌,可以帮助我们清除污染、回收废物、再生能源和保持身体健康等。

我们正面临危机:人类对化石燃料的过度依赖以及对高碳足迹食物的偏好正在持续导致环境的恶化和全球变暖,陆地和海洋被大量的一次性塑料污染,已对抗生素免疫的致病菌也正威胁着公共健康。

好消息是:可以通过把二氧化碳从大气中分离出来以延缓全球变暖;可以不需要排放大量碳也能生产出高质量的蛋白质;污染问题和细菌耐药性问题也有了对策。以上这些潜在的突破都基于一个共同要素——细菌。虽然听上去不太靠谱,但我们未来的健康和幸福可能都要由这些不起眼的微生物来保障。

能治愈疾病的细菌

细菌可能危害健康,引发肺结核和霍乱等致命疾病。为了对抗致病菌,20世纪人类最伟大的发明之一——青霉素被广泛使用,在过去80年中拯救了约2亿人的生命。但除了有害,细菌也可以是人类的“友军”。科学家发现,细菌大量存在于人皮肤表面和肠道内,数量以亿万计。好细菌不仅将食物转化成能量,还能抵御会致病的坏细菌入侵,因为当好细菌完全占据肠道后,坏细菌自然就没有“立足之地”了。但有时人为干预却可能打破这种平衡。长期使用抗生素会导致肠道中一部分好细菌也被杀灭,而艰难梭状芽孢杆菌(简称“艰难梭菌”)等致病坏细菌乘虚而入。感染艰难梭菌可导致腹泻、恶心和发烧。

然而,过去几十年的研究为治疗艰难梭菌感染提供了一条新思路——粪便移植,即将健康志愿者的粪便样本移植到患者的肠道中,利用样本中的好细菌战胜艰难梭菌,从而使患者肠道菌群恢复平衡。此外,粪便移植还有治疗其他疾病的潜力。科学家研究了动物和微生物间的相互作用,但现在还不清楚粪便样本中究竟哪一种或哪些细菌对人的健康有好处。

另一方面,科学家已经掌握了某些种类细菌(如大肠杆菌)的作用机制,因此能够精准地利用它们来治疗疾病。大肠杆菌在人体内很常见,且几乎无害。基于过去几十年的研究,科学家已经充分了解了大肠杆菌的特性,并把它比作能治病的“可编程微型生物计算机”,这是因为大肠杆菌的一些益生菌菌株能找到恶性肿瘤,并在其中生长。这让它们成为靶向递送肿瘤治疗药物的不二之选。

基于大肠杆菌“搜索”肿瘤的机制,科学家将一段外源DNA插入其细胞内,使它们制造出强效的抗癌分子“纳米抗体”。当这种大肠杆菌寻找到肿瘤细胞并在其中增殖后,插入的另一段外源DNA使大肠杆菌“自爆”,从而将“纳米抗体”释放到周围的肿瘤组织。也就是说,一旦这种经过加工的大肠杆菌进入肿瘤患者体内,它们就会自动寻靶并消灭肿瘤。科学家已于2020年初对小鼠进行了这方面试验并取得可喜结果。但出于伦理和安全性考虑,在开启转基因微生物的人体试验前还存在一些障碍,可能还需要启动一系列監管程序。

可生产再生能源的细菌

细菌是杰出的化学家,它们不但能制造强大的抗癌药物,还能生产大量的可再生燃料。2020年初,英国科学家斯克鲁顿团队的一项研究展示了细菌的发电潜能。许多细菌都含有一种成纤维细胞激活蛋白(简称“FAP”,是一种具有催化作用的酶),他们对FAP进行了修饰。经修饰的FAP能通过发酵来分解人类食物残渣,并产生丙烷气体。丙烷气体一般可用作交通运输、家用取暖和烹饪的燃料。

上述研究已经具备一定的商业价值,但科学家又通过把经修饰的FAP插入盐单胞菌中使它们发电,这有望大规模应用于工业。盐单胞菌是少数能在较高浓度盐水中生存的细菌之一。目前,大多数工业发酵设备由钢铁制成,在使用前必须进行严格的杀菌,以确保发酵罐中没有坏细菌存在,以免降低发酵效率。而盐单胞菌发酵有一个显著优势:那就是除了它们本身,其他细菌不论好坏,几乎都不能在盐水中存活,采用盐单胞菌可降低杀菌步骤的烦琐程度和由此产生的高额成本。此外,盐单胞菌的发酵过程甚至可在廉价的反应器(如塑料容器)中进行,因此发酵罐成本也大幅降低。

目前,除盐单胞菌外,还有其他几种利用细菌产生生物能量的方法。其中一种是利用“电活性”细菌“吞入”和“排出”电子的行为来发电。将一个电极放在地面上,如果环境适宜,“电活性”细菌就会开始围绕电极生长。科学家已花费数年研究如伺利用这些“电活性”细菌来生产可再生能源。在2010年的一项试验中,科学家通过停止给卯形鼠孢菌提供食物(氢气)来“饿死”它们,并转而为它们提供充足的电子。他们让卵形鼠孢菌适应了以电子为食,并利用自身产生的电能将二氧化碳转化为乙酸盐。科学家把这个过程称为“微生物电合成”。由此产生的乙酸盐是一种具有商业价值的化学物质,后续又可被制为塑料或生物燃料。而且,“微生物电合成”产生生物燃料的效率可能会超越农业,因为太阳能可以为细菌供能。而这种直接利用太阳能板来捕获太阳能给细菌供能的方法,比植物通过光合作用将太阳能转化为有机物给细菌供能的方法来得快得多(例如,用油菜籽来生产生物燃料)。

2020年初,科学家还探索了另一种生产可再生能源的方法。该方法的关键是一种长在电活性细菌表面的导电鞭毛。将这些鞭毛从细菌表面刮落,并把它们夹在两片金导板中间,利用湿度差直接从空气中获取电能。这个简单装置竞然就这样开始发电了。经过计算,科学家推测,如果“空气发电装置”的尺寸够大,其发电效率甚至可超过太阳能电池板。而且,电磁板依赖于光照,而“空气发电装置”即使在夜晚也能稳定输出电能。

可净化水质的细菌

细菌是废物的终极回收者。下水道污水对人类来说是废水,但对有些细菌来说却是美餐。这也是细菌在污水处理过程中扮演重要角色的原因。污水处理厂的主要“员工”是好氧细菌,这意味着必须用空气泵不停地向污水中泵入空气,才能为好氧细菌提供足够的氧气,从而持续分解污水中的废物。而要使空气泵持续运转,成本却相当高。

其实,污水处理厂的运转成本是可以降低的。科学家研发了一种新方法来净化工业污水,同时能产生电能,且产生的电能比消耗的电能更多。理论上这是完全可行的。一方面,工业废水中通常富含“养料”(如来自乳制品工厂的废水通常富合碳水化合物和蛋白质),它们本身就是一种能源物质,而利用不需要消耗氧气的细菌来分解水中的废物,则可节省掉空气泵的运转成本。具有“电活性”的细菌(如地杆菌和希瓦氏菌)一边以水中废物为食(分解废物),一边排出电子或其他带电物质(产生电能),一举两得。另一方面,产生的带电物质还能作为一种“产甲烷细菌”的食物,供它们把二氧化碳转化为甲烷,这样又可为取暖和发电供能。

事实上,利用微生物治理废水并同时发电的构想早在一二十年前就形成了,但城市污水中的能源物质很少,因此要将实验室方案成功转化为商用系统并不简单。如果要产生足够的发电量,那么需要处理的废水量会非常巨大。而将微生物用于处理工业废水就显得合理得多,凶为工业废水中含有比城市污水中更多的能源物质。

可制造蛋白质的细菌

细菌可以“喂饱”这个世界。当一些细菌把二氧化碳转化为燃料时,另一些细菌(如氢营养菌)则分解二氧化碳并结合其他物质产生可供人们食用的蛋白质。

我们大可不必对此感到惊讶,实际上,可供动物食用的植物都是利用光合作用将二氧化碳转化为碳水化合物的。严格来讲,植物其实并没有进化出把二氧化碳转化为食物的能力,而是靠把光合作用细菌吸收进它们的细胞内来获得这种能力的。

就捕获太阳能的能力而言,利用光合作用的有机体远比不上太阳能电池板。对此,科学家有一个构想:是否能通过细菌利用太阳能和二氧化碳来合成蛋白质?如果可行,那么我们将以前所未有的超}央速度收获食物。

要实现这个构想,涉及太阳能分解水分子,并利用产生的氢气为发酵罐中的细菌提供养料。然后,利用这些细菌结合空气中的二氧化碳合成高质量蛋白质,从而代替日常饮食中的动物蛋白。这种方法还有一个优点,即所用的发酵罐占地面积小,要容纳整个生产链只需一间啤酒厂的面积。因此,一部分农场可被还原为森林,以吸收空气中更多的二氧化碳。这样一来,地球甚至能实现“碳的负排放”,即吸收的二氧化碳多于排出的二氧化碳。

科学家认为,在未来利用细菌或其他微生物能生产出更多对地球环境友好的蛋白质。将它们添加到燕麦、奶、面包或其他面食中,可提高饮食中蛋白质的含量。但具体要添加到哪种食物中,取决于消费者对“细菌蛋白质”的接纳程度。

可吃掉温窒气体的细菌

细菌虽小,但它们对控制气候变化有着巨大的潜力,因为有多种细菌都会“吃”地球主要的温室气体二氧化碳,只不过,它们“吃”得太慢了。

快速生长的细菌可以更快地分解二氧化碳,但相比于二氧化碳,它们更倾向于以糖类为食。2019年,以色列科学家米洛把以二氧化碳为食的光合作用细菌DNA插入大肠杆菌(一种快速生长的细菌)细胞,然后将它们置于高浓度二氧化碳环境中,且几乎不为其提供糖类。米洛推测,只要有足够的时间,这些经过改造的细菌在代谢方面有可能发生巨大变化。果然,一年后,这些大肠杆菌竟然真的以二氧化碳为食。如果能将这种大肠杆菌应用到实际中,这将会是一个重大突破,对延缓全球变暖有积极作用。

此外,另一些科学家也正在进行试验,希望通过向土壤注入“精心修饰”的微生物来提高土壤碳容量,同时促进农作物生长。他们称,这种方法可使每公顷土地多吸收10吨二氧化碳。也就是说,仅在1年内,地球上的农用土地就能将人类排放的二氧化碳全部吸收。但生态学家认为,目前我们还不够了解微生物群落在土壤中的属性,因此要对这些微生物进行“精心修饰”还存在不少困难。如果对微生物进行修饰能改善土壤碳容量,与其将外来微生物注入土壤中,不如为土壤中现有的微生物提供所需养分来让它们发挥更大作用。

可净化污染物的细菌

细菌能分解地球上几乎所有含碳的物质。有些细菌甚至进化出了分解海洋浮油或类似污染物的能力。2010年墨西哥湾漏油事故导致至少2500平方千米海水被石油覆盖,而浮油之下产生了大量嗜油细菌。

细菌分解石油的能力引起了科学家的关注,他們正在对被石油污染的土壤中的细菌菌落进行分析,希望找出分解力最强的菌种。然而,利用细菌来分解土壤中的石油污染物存在一个问题,即我们对微生物群落在土壤中可能表现出的特性还知之甚少。当外来微生物被引入到土壤中,它们很可能和土壤中原本存在的微生物形成竞争,而竞争的结果我们无法预测。

目前,细菌净化仍是污染净化程序的重要环节。更重要的一点是,微生物有惊人的进化能力和适应以新物质为食的能力。如果工厂附近的土壤被油污污染,那么这些土壤中的微生物很可能会开始以油污为食。科学家可以通过“生物刺激”——为它们提供保持“健康”所需的其他营养物质(如氮肥、磷肥和铁肥)来帮助它们更快地分解油污。

科学家认为,利用基因工程使细菌将重金属(如汞)转化成毒性较小的物质也是可能的,但这也需要考虑将转基因生物引入大自然是否会造成不良后果。

可吃塑料“大餐”的细菌

细菌几乎是“不挑食”的生物,它们不仅“吃”油污,也“吃”各种其他含碳物质,例如塑料。

2016年,日本科学家从回收站收集了用于制造饮料瓶和服装中聚酯纤维的塑料——“聚对苯二甲酸乙二醇酯”(PET)样本。他们在一部分PET样本上发现了一种吃塑料的细菌。这种细菌利用其体内的PET酶等物质来分解塑料,得到的乙二醇等更小的分子可用于生产新塑料。科学家将这种细菌命名为“大阪坍菌”。此项发现的惊人之处在于,地球受PET塑料污染不超过80年,因此大阪堺菌进化出分解PET塑料的能力所用的时间也不超过短短80年,由此可见细菌拥有超强的进化能力。

然而,大阪坍菌分解环境中塑料的速度很缓慢。生物学家将协助分解塑料的酶从它们体内分离出来,通过改变酶的结构来提高分解效率。2018年,一个英国团队改造了大阪坍菌PET酶的结构,成功将大阪坍菌分解塑料的效率提高了近20%。现在,他们正在探索改造其他细菌酶,以寻找一种具有商业价值的分解塑料的高效途径。在2020年初的一项研究中,科学家在分离出一种细菌酶一LCC并扭曲它的结构后发现:原本需要数天才能完成的塑料分解过程,现在只需几小时就能完成,分解效率大幅提高。随后,他们利用通过分解塑料瓶(以石油为原料)得到的材料制作了新塑料瓶,发现分解前和新制成的塑料瓶在材质上毫无差别。这一实验表明,通过细菌的分解,这种塑料可以循环利用。因此科学家认为,可以通过改造酶来帮助回收对环境造成严重污染的塑料。

PET塑料并不是唯一一种能被细菌分解的塑料。2020年早些时候,科学家证实聚氨酯(常用于制作绝缘材料和汽车部件)也能被某些细菌分解。令人兴奋的是,世界各地的科学家正大量进行这方面多种有关研究,可见细菌在塑料分解方面还有巨大潜力。

可分解抗生素的细菌

1928年,英国生物学家亚历山大·弗莱明发现了世上第一种抗生素——青霉素,到今天人类仍在使用青霉素进行抗菌治疗,但过量使用抗生素会使致病菌进化出耐药性。出人意料的是,因为一些细菌能分解抗生素,所以它们也许能帮我们解决耐药性这个难题。

虽然一些科学家研究这些细菌已经十几年,但发现它们真的会“吃”抗生素时,他们还是感到非常凉奇。2018年,科学家找到了协助细菌分解土壤中青霉素的酶,并将这种酶插入大肠杆菌。虽然他们认为在这之后还有很长的路要走,但他们仍希望经改造的大肠杆菌最终可被用于分解污水中的抗生素。这个过程中可能遇到的最大难题是,互相接触的细菌之间会交换DNA。分解抗生素的基因可能会传递给其他细菌,包括可能引起疾病的有害细菌。这些有害细菌有了分解抗生素的基因后,原本用来杀死它们的抗生素就有被分解的可能,這样一来,我们对这些细菌就会束手无策。如果给科学家足够的时间深入研究细菌特性。他们也许能找到解决这些问题的方法,让细菌成为对抗抗生素耐药性的武器。

版权声明:三分钟阅读 发表于 2021年10月31日 下午10:01。
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