威斯康星大學(xué)麥迪遜分校生物化學(xué)系的科學(xué)家正在觀察實(shí)時(shí)發(fā)生的進(jìn)化。最近在線發(fā)表于“細(xì)菌學(xué)雜志”的一項(xiàng)研究中，生物化學(xué)教授邁克爾·考克斯及其團(tuán)隊(duì)描述了每周一次用電離輻射對(duì)大腸桿菌進(jìn)行爆破，使細(xì)菌變得具有抗輻射性。在這樣做的過(guò)程中，他們發(fā)現(xiàn)了這種抗性背后的基因突變和機(jī)制。

研究結(jié)果揭示了未來(lái)可能將抗輻射細(xì)菌用于各種應(yīng)用的方法，包括環(huán)境清理和在癌癥放射治療期間保護(hù)有益的腸道微生物。

考克斯的實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期以來(lái)一直對(duì)DNA修復(fù)感興趣，DNA修復(fù)是一種細(xì)胞過(guò)程，通過(guò)這種過(guò)程，所有生物體都能夠?qū)⒂呻婋x輻射等應(yīng)力破壞的DNA碎片重新組合在一起。這種類型的輻射本質(zhì)上是高能量并且與核輻射和諸如鈾和钚的元素相關(guān)。宇航員也在太空中接觸這種形式的輻射。在一些癌癥療法和一些醫(yī)學(xué)成像(例如X射線)中以較低劑量遇到它。

少數(shù)生物，主要是細(xì)菌，天然抵抗高水平的電離輻射。然而，許多是眾所周知的難以研究，對(duì)它們知之甚少，特別是與大腸桿菌相比。這導(dǎo)致考克斯的團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向研究抗輻射細(xì)菌的另一種方式 - 進(jìn)化自己。

他們?cè)?ldquo;定向”進(jìn)化中的實(shí)驗(yàn)很簡(jiǎn)單。主要作者和博士后研究員Steven Bruckbauer將大腸桿菌群分為四組。每周一次，他和一個(gè)本科研究人員團(tuán)隊(duì)使用醫(yī)學(xué)物理系的設(shè)備用電離輻射打擊每個(gè)人群，直到99%的細(xì)胞死亡。然后，他們培養(yǎng)幸存者 - 最好的抗拒輻射文化的百分之一。從這些細(xì)菌生長(zhǎng)的大多數(shù)新細(xì)菌攜帶有益的抗輻射突變。

考克斯解釋說(shuō)：“有許多突變可能與賦予抵抗力無(wú)關(guān)，而且只是為了騎行。” “我們將人口分成四個(gè)，這樣我們就可以比較多個(gè)群體的突變并檢查模式并嘗試確定輻射抗性的主要驅(qū)動(dòng)因素。”

隨著時(shí)間的推移，隨著細(xì)菌變得耐藥，研究人員已經(jīng)能夠提高它們暴露細(xì)菌的輻射水平。該研究深入研究了它們?cè)?0個(gè)循環(huán)后積累的突變(意味著細(xì)菌被照射了50次)。

由美國(guó)能源部聯(lián)合基因組研究所的UW-Madison團(tuán)隊(duì)的合作者進(jìn)行的序列分析顯示，幾種基因的突變導(dǎo)致大腸桿菌中更有效的DNA修復(fù)，這有助于提供抗性。另一個(gè)突變是RNA聚合酶，這種酶負(fù)責(zé)將RNA轉(zhuǎn)錄成DNA，最終用于制造重要的蛋白質(zhì)。

雖然整體機(jī)制，如增強(qiáng)的DNA修復(fù)，與天然抗性細(xì)菌相同，但導(dǎo)致這些變化的許多突變從未見(jiàn)過(guò)。Bruckbauer補(bǔ)充說(shuō)，除了DNA修復(fù)和RNA聚合酶的改變之外，還有一些全新的抗藥性方法可能會(huì)出現(xiàn)。“這些賦予抵抗力的機(jī)制正是我們所見(jiàn)過(guò)的，”他說(shuō)。“考慮到我們尚未發(fā)現(xiàn)或尚未發(fā)展的新奇可能性令人興奮。在自然界中我們看到最終會(huì)出現(xiàn)一些其他機(jī)制，但隨后新的機(jī)制可能會(huì)開(kāi)始發(fā)展。”

該小組目前正在通過(guò)選擇的第125周期，并計(jì)劃研究未來(lái)里程碑周期的遺傳學(xué)，以了解細(xì)菌的耐藥性。

雖然抗輻射細(xì)菌確實(shí)存在于自然界中，但它們對(duì)各種應(yīng)用的有用性可能取決于它們所具有的特定突變。考克斯解釋說(shuō)，試圖在不知道這些突變的情況下設(shè)計(jì)這種細(xì)菌以及它們?nèi)绾纹鸬皆鰪?qiáng)細(xì)胞DNA修復(fù)系統(tǒng)的作用將是非常困難的。

抗輻射細(xì)菌可能作為益生菌施用，以幫助減輕癌癥治療的一些副作用，并可能有助于核廢料場(chǎng)所的清理。此外，美國(guó)宇航局擔(dān)心宇航員在太空中接觸輻射，考克斯的工作可能會(huì)發(fā)現(xiàn)一種可以更好地保護(hù)宇航員的機(jī)制。

“我們發(fā)現(xiàn)大腸桿菌和其他對(duì)輻射敏感的生物具有這種潛在的能力，可以通過(guò)修改一些現(xiàn)有的DNA修復(fù)蛋白來(lái)提高抗輻射能力，”Bruckbauer說(shuō)。“據(jù)我們所知，沒(méi)有人在實(shí)驗(yàn)室里做過(guò)這種抗輻射的東西。這是生活如何適應(yīng)的一個(gè)很好的例子。”