科學家的細菌“育兒所”

方陵生

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

在閱讀“科學家的細菌育兒所”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，結構簡單，通常要用光學顯微鏡和電子顯微鏡才能看清楚的生物，統稱為微生物。但也有少數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，生命活動的基本規律，大多數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酵的研究，闡明了生物體內糖酵解的途徑。其次，微生物學為分子遺傳學和分子生物學的創立、發展提供了基礎和依據，而且是它們進一步發展的必要工具。舉例來說，DNA雙螺旋結構的確定、遺傳密碼的揭露、中心法則的建立、RNA逆轉錄酶的發現，以及基因工程的誕生，都是用微生物做實驗完成的。第三，微生物學是基因工程乃至生物工程的主角。基因工程實質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年英國細菌學家弗萊明就是通過研究細菌發現了世界上第一種抗生素———青霉素的。

3.如何來研究微生物

科學家目前最常用的方法就是在實驗室用培養皿培養微生物，然后再進行研究。培養皿是一種用于微生物培養或細胞培養的實驗室器皿，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技術，另一方面，大多數的研究都是為了產生經濟效益，細胞培養技術的高低可以直接影響到一些生物產業的生產能力。細胞培養技術無疑就成為了細胞生物學的基本技術。

舀起一撮土，或用棉簽擦拭口腔中的臉頰內側，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側的棉簽上，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微生物的培養皿中，甚至連那1%的微生物都培養不出來。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，大多數微生物，就像組成宇宙空間大部分物質的暗物質一樣，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，如果我們能設法從這些小小的微生物中開發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：大多數微生物很難培養成功

這些小家伙挑剔而嬌貴。很多微生物在實驗室的培養皿中無法正常生長，因此我們必須學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，原因之一是我們如今正處于“抗生素危機”之中。不久前的一些新證據表明，一些細菌已開始對多粘菌素產生了抗藥性，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現抗生素的。他們將不同種類的細菌放在同一個培養皿中，如果發現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產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，將這種抗菌物質分離出來，并對其安全性進行檢測確定之后，研發出醫生用來治療病人的抗生素產品。

為什么大多數細菌很難在實驗室的培養皿中培養成功呢？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物質的平衡，而培養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：將細菌群落在培養皿中“養育”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物質的組合呢？

20世紀70年代，日本微生物學家首次開始了對這些“嬌貴”微生物進行培養的嘗試，并與美國密歇根大學的研究人員合作，通過在培養皿中提供不同的營養物質，以及延長細菌培養時間的辦法，在土壤樣本中培養出了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培養了幾個星期，他還在培養皿中加入了來自人類女性陰道的代謝物。他發現，通過這些方法，可以誘導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，對于這些在低營養環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。

細菌培養的新理論與新方法

20世紀70年代后期，當時還在莫斯科國立大學的斯拉瓦·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。”

埃普斯坦認識到，培養皿中培養出來的微生物與“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。為什么大多數微生物無法人工培養生長，埃普斯坦有自己的一些想法和理論（見左邊鏈接“馴養微生物”）。

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，然后將這個容器放回這些微生物喜愛的自然生長環境中呢？微生物在它們熟悉和適應的自然環境中會很好地生長起來。埃普斯坦的想法是：如果我們在自然環境中培養這些微生物，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，要將設想變為現實，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物質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，同時在實驗室培養皿中培養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。在這一發現的鼓舞下，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，一起研究開發抗生素。

接下來就是尋找如何分別培養這些微生物的方法了。通過一種叫作iChip的裝置（見上圖），新抗生素的發現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公司已培養了5萬種難以培養的微生物菌種，并在其中發現了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注，這種方式可令細菌更難以產生抗藥性。

當然，發現的這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，關鍵是這種發現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，就能發現一種候選抗生素。埃普斯坦說道，這比以傳統方式研發抗生素的制藥產業的開發速度要快得多了。

在這25種新發現的分子中，有兩種似乎對肺結核特別有效。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，通常可用于開發抗癌藥物，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備和技術，曾格勒已經和一家公司合資生產可以普遍使用的配套設備。

還有一些微生物的研究者走的是完全不同的路徑，他們不培養微生物，而是在有關的微生物的生存環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，或基因組分析，這種方法可以在某種微生物生存環境中，迅速獲得各種不同微生物的基因組“快照”，令開發新藥的過程更方便更快捷。比如，在某處泥土里發現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，然后看看結果會如何。英屬哥倫比亞大學的朱利安·戴維斯非常支持這個辦法，認為它是發現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片斷決定相關分子的產生。因此目前看來，研究人員還得繼續通過耐心培養新微生物的方法來發現新的抗生素，埃普斯坦和曾格勒的技術也顯得尤為重要。接下來要做的是如何進一步優化這一技術。Novobiotic公司從區區幾百份土壤樣本中就發現了25種候選抗生素，利用這一技術發現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，他對開發廣袤海洋中的龐大微生物資源也產生了極大的興趣，他說，海洋是我們尋找抗生素的巨大寶庫。他希望能開發出一種適合海洋環境的新版本的iChip。目前，他已經開發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，他說他會將這一技術應用于他的專業研究領域：人類女性陰道微生物，也許可以考慮將iChip封裝在類似節育環的裝置里。

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，微生物領域內的“暗物質”之謎正在被慢慢揭開，微生物造福人類的未來，我們期待著。

馴養微生物

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

土壤自然環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果都表明，將一些細菌或真菌樣本放在培養皿中幾個月，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皿中培養，通常也極不穩定。

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，它們適應于各種不同的環境或開啟或關閉，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移到新的環境中，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，其基因表達就會被重新設定。因此如果你想要在一個新的環境中培養某個微生物菌落，就必須使用休眠的細胞。研究人員發明了一種微生物“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量可提高實驗室里培養微生物的成功率，按照埃普斯坦的說法，你得“馴養”這些微生物。