为核酸检测立下汗马功劳的细菌阅读答案

山口朝日放送

黄石公园的彩色温泉黄石国家公园的彩色温泉

布洛克拍摄的“蘑菇泉”布洛克的《蘑菇泉》

1964年，38岁的托马斯·布洛克开车经过美国黄石国家公园，决定去参观一下。作为地标景点，色彩斑斓的温泉当然是他必去的景观之一。

对于其他人来说，也许拍两张照片，与家人和朋友分享，参观黄石国家公园就结束了。碰巧的是，布洛克当时是印第安纳大学的细菌学教授。作为业内人士，他一眼就看出了门道:温泉的颜色大多是色素微生物造成的。但是什么样的微生物有这种“魔力”呢？它们是如何在70℃左右的水中生存的？

没有人知道答案。所以第二年夏天，布洛克带着这些问题回到了这里。这一次，他申请项目资金，带了一个本科生，叫Hudson freese。

“探究黄石国家公园温泉中的生物”这种暑期项目，现在听起来像一个简单的假期活动。当时，托马斯·布洛克和他的学生绝不会想到，他们真的发现了一种新细菌，这种细菌在20世纪80年代末就已经开启了现代分子生物学的新篇章，并且在新冠肺炎疫情仍在全球蔓延的今天，我们耳熟能详的PCR（聚合酶链式反应）核酸检测，也少不了它的身影。

显微镜下的水生嗜热菌夏季项目“探索黄石国家公园温泉中的生物”现在听起来像一个简单的假日活动。当时，托马斯·布洛克和他的学生们绝不会想到，他们竟然发现了一种新的细菌，这在20世纪80年代末开启了现代分子生物学的新篇章。时至今日，新冠肺炎疫情仍在全球蔓延，我们熟悉的PCR(聚合酶链式反应)核酸检测必不可少。显微镜下的水生嗜热细菌

耐高温细菌

托马斯·布洛克(Thomas Brock)和哈德逊·弗里斯(Hudson freese)从黄石国家公园70℃的“蘑菇泉”泉水中分离出一种粉橙色细菌，并将其命名为“水生嗜热菌”。这种细菌生活在水中，所以是“水生的”；它能在高温下生存，所以被称为“嗜热菌”。

在接下来的10年里，他们师生的主要研究都集中在“为什么”上:在当时“细菌能承受的最高温度约为55℃的普遍认知下，为什么水生嗜热菌如此特殊？每种生物都有自己的最佳温度范围，通常是生物体内的酶决定了这个范围。作为蛋白质，当温度超过一定程度，酶就会失活。因此，Brock和freese假设水生嗜热菌携带的所有酶都具有比其他生物酶更高的温度范围，因此它可以耐受高温。

事实就是如此。1970年，Brock和freese在《细菌学杂志》上发表了他们对水生嗜热菌醛缩酶的研究结果——这种酶在95℃时活性最高，这意味着它通常生活的70℃的温泉并不是一个非常适合它生活的地方。

他们的发现逐渐引起了科学界的兴趣。随后，DNA连接酶、转录酶等生物体内比较重要的酶也从水生嗜热菌里被提取出来。在其他酶都会支离破碎的高温条件下，这些耐高温的酶大放异彩，首次为科学家展示了很多反应的其他可能性。

Taq 聚合酶的结构他们的发现逐渐引起了科学界的兴趣。随后，还从水生嗜热菌中提取了DNA连接酶、转录酶等生物体内的重要酶。在其他酶会碎裂的高温条件下，这些耐高温的酶大放异彩，首次向科学家展示了反应的许多其他可能性。Taq聚合酶的结构

开启PCR时代

1976年，中国台湾省科学家钱家运教授的团队分离出一种DNA聚合酶。其最适生活环境温度在70℃以上，在95℃仍不活跃。他们简化了水生嗜热菌的拉丁学名，命名为“TaqDNA聚合酶”。

然而，在短暂的兴奋之后，研究人员感到无尽的空空虚。回答完“为什么”，那个时代的科技水平限制了他们问下一个问题:“我们能用吗？”接下来就是十几年的沉默。直到1988年，真正属于水生嗜热菌的机会终于到来。

这一切都离不开一个叫凯利·穆利斯的人。如今，他被称为PCR项目的开发者。

当时，穆利斯是生物医药巨头赛图斯公司在RD的员工。知道了商机，他知道复制和放大生物核酸的技术需要大规模、自动化和快速，才能显示其真正的价值。这条路上的障碍，恰好是PCR的核心——聚合酶的选择。

让我们先复习一些基础的知识：PCR的原理是用高温将初始样本DNA的双链分开，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。比如在新冠病毒的核酸检测中，专业人员是怎样判断样本呈阴性还是阳性呢？科研人员就是通过PCR，扩增可能在鼻咽拭子中存在的病毒核酸，当病毒核酸达到一定数值，即判定为阳性。

凱利·穆利斯我们先来复习一些基础知识:PCR的原理是利用高温将初始样本DNA的双链分开，然后利用聚合酶引导DNA复制形成新的链；经过几十轮的反复，原本微小的DNA被放大了上亿倍，这样就可以进行可视化分析了。例如，在新冠肺炎的核酸检测中，专业人员如何判断样本是阴性还是阳性？研究人员通过PCR扩增鼻咽拭子中可能存在的病毒核酸。当病毒核酸达到一定值时，判定为阳性。凯利·班克斯·穆利斯

最初的PCR使用大肠杆菌的DNA聚合酶。虽然这种酶已经是人类的老朋友了，但是在高温下会在初熔点失活，导致添加的大肠杆菌聚合酶只能用一轮，后面几十轮每轮都需要手动添加。试想，如果这种酶只能在今天使用，那么花在核酸检测上的人力、财力和时间将会翻倍。

穆利斯曾说，“当我开发PCR时，我并没有真正创造出什么新的东西，而只是我正确地组合和应用了已有的东西。”是他在SETUS的团队“挖掘”了已知的非常耐热的Taq聚合酶的研究，这也像是一种神的帮助。这种酶的耐热性、反应性、准确性等特性，完全符合他们当时对PCR聚合酶的所有期望——就像是为PCR而生一样。

Taq聚合酶商业化后的第二年，发表在《科学》杂志上。它的应用，再加上后来发明的可以自动改变温度的热循环仪，标志着PCR技术的成熟。如今，这项技术几乎已经成为生物医学领域研发的必备工具，穆赫利斯也因此获得了1993年的诺贝尔化学奖。

另一方面，如果你是一个会思考的水生嗜热细菌，你是愿意默默无闻地生活在黄石国家公园的某个角落，还是愿意作为人类基础研究的一部分而诞生并为世人所知？

(豪格摘自微信微信官方账号“物种日历”)

灯泡里的钨丝只能驱散我们眼前的黑暗；心中的黑暗，只有自己才能驱散。

——麦家

生活很平凡，有时有趣，有时无聊。不要一直寻找意义。

黄永玉