2012年暑假高中语文科技文阅读素材之身边的科学（一）：《不死细菌讲述永生的秘密》.doc

1、不死细菌，讲述永生的秘密它的生命力如此之顽强，被戏称为细菌中的“Conan”（即“毁灭者柯南”，源自美国电影Conan the Destroyer，编者注）。所谓“不死细菌”，真名叫做“耐辐射奇球菌”（Deinococcus radiodurans），它“不死”的秘密其实也很简单，那就是“复活”。这是怎样一个死而复生的奇迹？！最近，终于有一位科学家揭示了这其中的奥妙所在，那便是：一种闻所未闻的基因组修复机制。 编译：吴瑶 不论是暴露在剂量5000倍于足以置人类于死地的放射性物质中，还是强度百倍于足以致绝大部分生物于死地的紫外线照射下；亦或在沙漠的强烈日照中暴晒数月，或者反之，将其送至零下45摄

2、氏度的超低温的西伯利亚；甚至泼上强效杀菌的双氧水（即强氧化剂过氧化氢H2O2）任凭尝试种种办法，我们还是无法杀死这个细菌界的“毁灭者柯南”！一旦重新遇到适宜的环境，耐辐射奇球菌立刻重现生机。原因何在？它又是如何做到这一点的呢？半个世纪以来，科学家们为了解开这个谜绞尽了脑汁。日前，在米罗斯拉夫瑞德曼（Miroslav Radman）领导下的一个法国克罗地亚分子遗传学专家小组（专家来自巴黎第五大学、法国国家卫生与医学研究所以及位于克罗地亚斯普利特的地中海生命科学研究院）终于成功地解答了这一难题，将“不死细菌”独有且高效的DNA修复程序告白于天下。“真是一次独一无二的体验，”米罗斯拉夫瑞德曼激动地说

3、，“我们亲眼目睹了处于临床死亡状态的活体细胞在对基因组进行重组后居然复活了！”正是这种“复活”程序赋予了耐辐射奇球菌“永生”的生命形式。 由于自身复制速度的缓慢，对人类基本无害的耐辐射奇球菌总是被“放逐”到生物稀少的地区，久而久之，便适应了各种极限环境。我们几乎可以在这个星球上各个角落的土壤中找到它的身影，哪怕寒冷如南极洲冰谷的花岗岩石或者炎热似土耳其干燥荒芜的大沙漠。最神奇的是，耐辐射奇球菌和其他具有强抵御力的细菌不一样，它竟然完全没有自我保护措施。缺少了外壳和荚膜的阻隔保护，外界的“攻击”长驱直入，等待耐辐射奇球菌的下场和普通细胞一样：基因组断裂。但是，全世界各地十数家实验室中进行的上百次

4、实验证明了它的不同寻常，只需三小时，它就能在营养液中完成基因组四条DNA单链的分子重建工作。 为了揭示耐辐射奇球菌重组DNA的奥秘，自1999年起，就有数组研究人员进行并且完成了该球菌DNA序列的解码工作。但是未取得突破性进展。的确，它的基因组中包含有其他细菌用来修复DNA的已知基因，但数量要小于对放射性非常敏感的埃希氏菌属（Eschericha）因此，答案只能去别处寻找。在所有孜孜以求的专家之中，最有希望到达终点的，是米罗斯拉夫瑞德曼及其带领的研究小组。他们首先证明：耐辐射奇球菌同其他许多细菌一样，在分裂的过程中，会多次复制自身基因组，而从统计学的观点来看，由外界刺激引起的基因组断裂几乎没有

5、可能发生在基因组两个不同副本的相同位置上。那么，对于其中一个复本上的断裂损伤，就能够在另一个该部位完好无损的副本上找到相同的片段。耐辐射奇球菌是利用这一特性来重建完整的基因组吗？ 米罗斯拉夫瑞德曼的直觉告诉他，耐辐射奇球菌基因组的重建过程，一定利用了DNA分子双螺旋结构的特性之一：基因组上碱基的互补配对原则。DNA分子实际上是由两条碱基序列互补的多核苷酸单链结合在一起组成的，就像两条粘在一起的尼龙搭扣，因此，每个分子两条单链上的碱基排列都精确地遵守碱基互补配对原则。一条单链上的每一个碱基都能与另一条链上对应位置的碱基通过氢键结合。这样，当一条单链遇到自己的“另一半”时，它们依靠碱基对的紧密结合

6、联结在一起，进而构成著名的双螺旋结构。但是，这一特性在耐辐射奇球菌的重生过程中究竟起的是什么作用？瑞德曼认为，如果在断裂发生后，能够有某些特别的方法，使得DNA的片段断裂处的部分碱基被抛弃、降解，仅保留单链结构，那么接下来，断裂处的单链就可以与没有遭到破坏的完好的单链复本结合，以之为模板，修复自身断裂处碱基序列，最后使断裂的各个片断重新得到连接。 理论上，DNA的确可以如此这般完成修复工作，但有一个问题是不容忽视的即使在该细菌的无数个DNA复本中，某个复本A中的损坏部分在另一复本B中未遭到破坏，即存在修复需使用的模板，但是这一段“可使用的模板”应该还保持着DNA分子双链结构，不能与需要修复的部

7、分结合，就是说我们可以找到却不能利用这一“修复模板”。要想真正利用它，就必须找到一种解旋酶，控制DNA分子双链的解旋，像拉链一样，在需要的片段将双链分子“拉开”，形成两条单链。这样，损坏的DNA片段断裂处的单链就可以找到并真正使用“模板”了不死细菌的“救命”酶 幸运的是，和某些细菌一样，耐辐射奇球菌确实拥有一种能够在自身DNA复本中“寻找”碱基序列互补的模板来修复受损部分的“救命”酶。这种名叫Rec A（Recombinase A）的重组酶可以找到需要使用的“模板”，并打开DNA分子的双链结构，从而为受损DNA片段与互补单链结合，完成修复工作提供了可能。接着另一种酶介入，控制受损断裂部分单链的

8、碱基片断序列的修复。在与“模板”分离之后，得到修复的受损DNA片段可以彼此对接，还原为完整的DNA分子。在数小时内，耐辐射奇球菌不断重复这一过程，直到修复所有断裂处的损伤，重建完整的DNA分子。 为了证实这一假设，米罗斯拉夫瑞德曼带领他的研究小组用荧光法进行了多次实验，观察这种以完好单链为模板的受损DNA碎片自行修复过程是否真正存在，断裂处单链的碱基片段是否重组，单链长度有所增加。“我们很快便看到，实验情况完全符合（我们的设想）。实验很清晰地体现了DNA碎片断裂处单链的伸长。” 米罗斯拉夫瑞德曼说到。之后，研究小组在2004至2005年间又进行了多次实验，进一步确认了耐辐射奇球菌神奇的DNA修

9、复过程（体内同源重组），揭开了它“永生”的关键。 这一惊人的研究成果得到了该领域专家学者的一致赞誉。上个月，人类基因组图谱绘制计划创始人克雷格文特尔（Craig Venter）就这一重要发现向米罗斯拉夫瑞德曼和他的研究小组表示了祝贺。华盛顿大学的麦克考克斯（Mike Cox）也向该研究小组致敬：“他们的成果很具有说服力，不过我们还得弄清楚该系统中涉及到的蛋白质和酶。”当然，这个永生之谜还没有完全解开显然，垂死的细菌是不能够用已经断成数截的DNA来合成它所需要的酶，那么在修复过程中所必需的酶又是从何而来？在准备进行进一步研究的同时，米罗斯拉夫瑞德曼也开始在心中勾画该DNA修复系统在医学领域，工业生产甚至宇航业方面的实际应用。