一種神奇的細菌，解救科研民工於水深火熱

穆利斯是極少數的僅因為發明了一項技術而獲得諾貝爾獎的科學家之一。他發明的聚合酶鏈式反應（Polymerase Chain Reaction, 下簡稱PCR）能在脫離生物體的人工條件下，將極少量的DNA擴增上億倍，幫助人們更容易地檢測到某一DNA片段的存在，從而進行後續的研究。這項技術的發明，徹底改變了現代分子生物學的發展進程。

從繁到簡

在1983年到1985年，誕生之初的PCR技術實際上一點都不簡單，也不優雅，而是一項非常複雜繁瑣的工作。

當時由於生物學發展的限制，能在實驗室里用於進行DNA擴增的酶只有大腸桿菌的Ⅰ型DNA聚合酶以及它的一些衍生酶。這種酶的最適工作溫度在37℃，也就是大腸桿菌的最適生長溫度。

掃描電鏡下，放大約10000倍後大腸桿菌（顏色為後期人工繪製，並非真實） | Janice Haney Carr / flickr

DNA擴增，實際上是DNA的自我複製，但雙螺旋狀態下的DNA是無法完成複製的，因此我們需要將這個雙螺旋打開。打開的方法很簡單——加熱，確切地說是在95℃的條件下使雙鏈DNA解聚。

然而問題在於，這個加熱的過程會使DNA聚合酶完全失活——酶如果失去活性，自然還是無法完成複製——所以需要適時補充酶，使反應繼續下去。

大腸桿菌的I型DNA聚合酶的Klenow片段與DNA底物的複合體晶體結構，其中藍色為聚合酶的蛋白部分，紅色為雙鏈DNA | Nekout

彼時做一次PCR可是真不容易：每進行一輪反應，就需要人工加一次酶，然後放在37℃的水浴鍋里，定個時；等時間到了取出來，轉移到95℃的水浴鍋里，再定個時；取出來降溫一會兒，再補加一些酶、緩衝液和複製必需的引物等等，然後再來一遍……嗯，如此循環，總共大概需要重複30～40遍吧。

當時沒有手機可以刷，實驗間隙的等待算不上愉快（終於可以好好看文獻了呢）。想想那時不少研究生究竟是靠什麼樣的精神和意志力來完成PCR，從而獲得學位畢業的呢。

即便每循環補加試劑如撒鹽，做個30、40遍也要煩死了 | Nekout

人們意識到，解救科研民工於水深火熱，當務之急是需要一款能夠耐受高溫的DNA聚合酶。這種神奇的酶該去哪裡找呢？

當然是去熱的地方找咯。

另一種細菌的勝利

20世紀70年代，華裔女科學家錢嘉韻（Alice Chien）在辛辛那提大學生物系跟隨導師約翰·特雷拉（John Trela）專註研究一些從美國黃石國家公園的熱泉中分離得到的細菌。

美國黃石國家公園的熱泉 |Jim Peaco, National Park Service

他們從一種能在70℃高溫下仍可正常繁殖的水生棲熱菌（Thermus aquaticus）中，分離純化了一種能夠耐受極高溫度的DNA聚合酶——Taq DNA聚合酶。Taq取自細菌屬名Thermus首字母T以及種加詞aquaticus的前兩個字母aq。

Taq酶工作的最適溫度在72℃左右，並且需要二價鎂離子作為輔助因子。最重要的是，即便將它加熱到95℃並保持數小時，它都能保持一定的活性。把它用於PCR，豈不美哉？

左：水生棲熱菌的掃描電鏡照片（顏色為後期人工繪製，並非真實）；右：Taq DNA聚合酶的晶體結構 | Diane Montpetit；Nekout

1986年，穆利斯的同事蘭道·賽奇（Randall Saiki）將Taq DNA聚合酶成功應用在了PCR技術中，終於解決了每一輪都需要補加試劑的麻煩，並且也讓整個反應變得更加簡單、易行和穩定。與此同時，從大腸桿菌I型DNA聚合酶到Taq DNA聚合酶的轉變，對PCR效果的影響也是巨大的。1988年，穆利斯團隊將兩種酶進行PCR的差別發表在了科學（Science）雜誌上：使用Taq DNA聚合酶的PCR擴增產物，單一、清晰且量大，而使用大腸桿菌I型DNA聚合酶則雜質眾多。

生物狗都想要A、B圖中右側那樣的結果

1988年穆利斯團隊發表在科學（Science）雜誌上的文章中比較了大腸桿菌I型DNA聚合酶與Taq DNA聚合酶在PCR實驗中的效果 |R.K. Saiki，et al./Science（1988）

是飛躍，更是所有人的福利

儘管解決了補加試劑的麻煩，操作者仍然需要定時將反應管在不同溫度的水浴鍋中來回切換。當時還衍生出了一些專門用來做PCR的水浴鍋，人稱PCR bath，其實就是將三個獨立的水浴鍋並排放一起。

PCR bath，三個獨立水浴鍋連在一起，三個溫度供君選擇 | nstructables.com

為了解放生產力，穆利斯所在的PE-Cetus公司在20世紀80年代末率先製造出了自動化的PCR儀，讓整個PCR反應過程徹底告別人工操作。

在之後的30餘年裡，PCR技術飛速發展。毫不誇張地講，沒有PCR技術，就不會有現代生物技術為我們帶來的各種福利，我們將無法快速鑒定出流感的病原體類型，無法快速診斷出致病的基因突變，無法實現準確的親子鑒定，更不可能有現代基因工程來幫助我們製造藥物、精細化學品等等。

水生棲熱菌與人類的交集並不僅僅止步於PCR。跨入21世紀後，隨著合成生物學的發展，對大規模DNA組裝的需求也日益增加。2009年，丹尼爾·吉布森利用來自水生棲熱菌的Taq連接酶配合另外兩種耐熱的聚合酶和外切酶，設計出了吉布森組裝法（Gibson Assembly），能在短短30分鐘里組裝多個超長DNA片段。這為日後人工合成酵母染色體、病毒基因組等研究提供了可靠的基礎。

現代自動化PCR儀，告別用水浴加熱，使用半導體控溫技術 | 26Isabella / wikimedia

說到這裡，你可能仍覺得這些離你十分遙遠。但實際上，水生棲熱菌並不僅僅生活在熱泉中，有研究發現，它們還大有可能存在於你的茶杯中里、你家的熱水器里。

事實上，我們生活在一個遍布著細菌的環境中，無論人體內還是體表，到處都遍布著這些微小的生靈。對人來說，它們中的大多數默默無名，為我們的健康做著無私的奉獻，抑或給我們的生活掀起一些波瀾，絕大多數只是生活在那兒。它們中只有少數被發現、命名，並為我們的科學發展發光發熱——當然，我們也要感謝那些發現它們的人。

作者名片

題圖來源：pixabay

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