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【香港客戶和集運的問題】“吃貨”拯救世界!細菌如何通過吃吃吃拯救地球?

2020-09-06  造就Talk

    我們有麻煩了:過度依賴化石燃料,對高碳足跡食品的喜愛,導致了破壞性的氣候變化;“用後即棄”的社會模式,給大地和海洋造成了大量塑料污染;無法通過抗生素殺滅的致病微生物,造成了公共健康危機……

    好消息是,在過去幾年裏,許多證據顯示我們可以將二氧化碳從大氣中清除,減緩氣候變化;我們可以生產出優質且低碳的蛋白質;我們也可以清理污染,減少抗藥性的影響。

    此類潛在創舉的共同要素是什麼呢?細菌。雖然聽起來不太現實,但我們未來的健康幸福或許取決於這些低調的微生物。

    01 健康

    細菌可能會危害我們的健康,它們可以造成肺結核、霍亂等致死疾病。

    因此,能夠殺滅細菌的抗生素被譽為20世紀最偉大的發明,在過去80年裏,僅青黴素就挽救了超過兩億人的生命。

    但與此同時,細菌也對人類的健康大有裨益。每個人的表皮和腸道里都有上千億的益生細菌以及其他微生物,統稱為人類菌羣。

    它們不僅能幫助我們從食物中獲取能量,這些“好”細菌有時候還會保護我們不受“壞”細菌侵襲。這是因為好細菌圓滿就位後,壞細菌就無法佔據我們的腸道。


    電子顯微鏡下人類糞便培養出的細菌

    一旦我們干擾了菌羣,壞細菌可能就會入侵。長期使用抗生素的一個後果是,藥力會殺死部分有益細菌,這時候艱難梭菌等致病細菌便會趁虛而入,導致我們腹瀉、噁心以及發燒。

    然而,在過去幾十年的研究中,我們發現了一種神奇的療法,可以治療艱難梭菌造成的感染:把一位健康志願者的糞便轉移到患者的腸道內,其中的有益細菌可以戰勝原有的艱難梭菌。

    這種“糞便轉移”療法也可用於治療其他疾病,但原理目前不詳。

    田納西範德堡大學教授賽斯·博登斯坦(Seth Bordenstein)一直致力於研究動物微生物和病毒間的關係。他表示,糞便中哪種細菌帶來了這種有益效應,我們無法確定。

    我們可以在醫學中精確運用一些細菌,因為我們瞭解其運作原理。大腸桿菌就是其中的典範,此菌寄生於人體,基本無害。

    經過幾十年來的研究,我們對大腸桿菌有了充分的瞭解,使其基本成為一個可編程的微型生物電腦,用於治療各種疾病。

    “有些益生菌品種的大腸桿菌可以搜尋癌變腫瘤,並在其內繁殖,因此它們可以成為適宜攜帶治療癌症藥物的載體。”紐約哥倫比亞大學博士生坎迪斯·戈巴特里(Candice Gurbatri)如是説。

    戈巴特里與同在哥倫比亞大學的教授塔爾·丹尼諾(Tal Danino)協同研究細菌的腫瘤搜尋行為。他們在大腸桿菌中植入了一種額外的DNA,使其得以生成“納米抗體”這種強大的抗癌分子。

    另一種額外的DNA可促使大腸桿菌在腫瘤內增殖後自我銷燬,使其含有的納米抗體充斥癌變組織,從而使得這種形態的大腸桿菌在被腫瘤吞噬後,可以幫助鎖定並消滅腫瘤。

    今年年初,戈巴里特、丹尼諾及其同事在老鼠身上測試了這一方法,取得了可觀成果。但在進行人體實驗前,仍有一些老生常談的問題亟待解決,即針對人體使用基因編輯的微生物在倫理和安全方面的考量,這一點可以理解。

    02 可再生能源

    細菌是卓越的化學家,它們不僅可以製造抗癌藥物,也可以用於大量生產可再生生物燃料

    今年早期,曼徹斯特大學的教授奈傑爾·斯克魯頓(Nigel Scrutton及其同事發表的一項研究揭示了這一前景。

    他們編輯了一種名為“成纖維細胞活化蛋白”的蛋白酶,許多細菌中都有這種酶,它通過發酵分解人的食物垃圾,生成丙烷氣體。丙烷可用於交通燃料,以及日常取暖做飯。

    對於可持續發展的商業模式來説,這本身無疑是一個良好的開端,而斯克魯頓及同事進一步提高了商業成功的可能性。他們將蛋白酶植入鹽單胞菌中,這是一種少見的可在高濃度鹽水中生存的細菌。

    大多數工業發酵系統是由鋼材建造的,必須仔細消毒,確保沒有雜菌進入發酵罐降低效率。但是,由於鹽單胞菌發酵系統在鹽水中進行發酵,除鹽單胞菌之外,基本上沒有其他微生物可以存活下來,因此省去了昂貴的滅菌處理。

    “你甚至可以在塑料製成的廉價反應器中完成發酵,”斯克魯頓説,“這減少了資本投入。”


    畫家對於“空氣發電設備”憑空製造電力的藝術暢想

    細菌還可以通過多種其他方式製造生物燃料。

    其中一種涉及到一些不尋常的菌種,它們通過進食和排泄電子(即攜帶負電荷的亞原子粒子)來發電。在適宜的環境中放入一個電極,這些具有電活性的細菌就會圍繞電極進行生長繁殖。

    馬薩諸塞州大學的教授德里克·洛夫裏(Derek Lovley及其同事,多年來致力於研究如何將這些微生物用於生產可再生能源。

    2010年,他們使卵形鼠抱菌長時間處於飢餓狀態中,無法以它們最愛的氫分子為食,與此同時卻給它們提供足夠的電力。

    最終,這些微生物改變了食譜,以電子為食,而且能利用電能將二氧化碳轉化為醋酸鹽,這是一種頗具商業價值的鹽,可用於製造生物燃料和塑料。

    洛夫裏把這一過程叫做“微生物電合成法”,它生產生物燃料的潛力比農產品更大。

    這是因為生物合成所需的電能可以來源於太陽能板,而這種獲得太陽能的方法意外地比植物的光合作用更有效率,例如油菜籽,人們現今正以其作為生物燃料。

    今年年初,洛夫裏和同事展示了細菌幫人們生產可持續能源的另一種方法。一些有電活性的細菌會長出微小的可導電毛髮,研究者拔下這些毛髮,將其放於兩個導電的金片中間,這種裝置就能自然地產生電力。

    這種“空氣發電裝置”直接從空氣中獲得電力,顯然是依靠空氣中的濕度差。洛夫裏和其團隊經過計算,認為大型空氣發電機的優越性可以勝過太陽能板,且不需像太陽能板一樣只在白天可用。

    03 污水

    細菌是終極回收者。一直以來,人類都認為污水是廢料,細菌卻把它當成食物,這就是細菌在污水處理廠中舉足輕重的原因。

    但運營這種處理廠成本高昂。我們通常依靠好氧微生物來降解廢物,即廢水必須以氣泵保持空氣充盈,而該操作耗資巨大。

    “也不是必須如此操作。”馬薩諸塞州的寒武紀創新公司聯合創始人兼首席執行官馬修·西爾維(Matthew Silver)説,寒武紀公司發明了一種處理污水方法,使其產生的能源高於生產消耗的能源。

    這種方法是可行的,西爾維表示,因為工業廢水中藴含大量能源。例如奶製品企業的廢水中,含有大量碳水化合物和蛋白質。“複雜的碳水化合物,我們可把它當成燃料。”他説。

    該公司的運行體系,依賴於可在無氧環境下繁殖的細菌,從而節省了空氣泵的開支。在該系統中,包含地桿菌屬和希瓦氏菌屬等電活性細菌,可在水中進食雜質釋放電子和其他帶電粒子。

    在系統的其他部分,產甲烷菌利用這些粒子為能量源,將二氧化碳轉化為甲烷氣體。“甲烷可以用於發熱生電。”西爾維表示。

    水處理廠依靠微生物降解廢料

    利用微生物同時進行污水處理與製造能源這一理念,始於15年前,但是將實驗室中的演示轉化為商業上的可行模式,還有些困難。

    “污水中的能量密度較低,因此要產生高能量需要處理巨量的水,”紐約康奈爾大學教授巴茲·巴爾斯托(Buz Barstow )説,他從事細菌產能的可行性研究。

    但西爾維認為,將該技術用於工業領域時,經濟效益非常可觀,因為工業廢水通常比城市污水更富能源。

    04 食品

    細菌可以養活全世界。除了可將二氧化碳轉化為燃料外,還有一些氫營養菌,能將二氧化碳轉化為可供人類食用的蛋白質。

    事實上,這不足為奇。我們所食用的植物,都是通過太陽獲得能量,將二氧化碳轉化為碳水化合物。嚴格上説,植物的這種能力並非自身演化而來,而是通過把光合細菌融入自身細胞中得來的。

    比起光合作用,太陽能板可以更高效地轉化光能,由此引出了一個有趣的可能性:如果我們可以通過太陽能,讓細菌將二氧化碳轉化為蛋白質,我們可以使植物生長得比以前更快。

    太陽能食品公司(Solar Foods),這家芬蘭初創企業,致力於把這類非光合作用食品商品化。該公司首席執行官帕西·梵尼卡(Pasi Vainikka)博士表示,通過太陽能板產生的能量分解水分子,產生氫氣。

    然後,將細菌置於發酵器中以氫分子餵養。出於商業考慮,梵尼卡不願透露他們使用的是哪種細菌。微生物以氫氣作為能源,將大氣中的二氧化碳轉化為高質量的蛋白質,可替代目前飲食中的動物蛋白質。

    “我們將食品生產與農業分離,”梵尼卡表示這麼做頗有裨益,例如未來幾年公司使用的發酵器佔不了多大空間,“就像是開了一個釀酒廠吧。”他形容道。

    即便發酵器必須和太陽能發電廠連接在一起,佔地面積總和依然較小。根據梵尼卡的估算,只需傳統牧場十二分之一大小的面積,就能生產等量的蛋白質。

    光合作用細菌可以通過太陽能將二氧化碳轉化為食物

    這有助於退耕還林,吸收更多二氧化碳。“從系統層面來説,我們的碳排放是負數。”梵尼卡表示。

    研究表明,通過細菌和微生物生產有益於地球生態的蛋白質前景廣闊。

    梵尼卡預期,未來公司的產品將作為食品添加劑,提高麪包、意麪以及燕麥奶這類植物飲料的蛋白質含量。

    即使消費者的態度可能會褒貶不一,公司依然非常樂觀。畢竟,多年以來,英國肉類替代品生產商(Quorn Foods)一直在銷售由微生物生產的蛋白質,雖然他們是利用真菌而非細菌生產。

    05 氣候變化

    細菌雖然微小,卻能減緩全球氣候變化。這是因為許多菌種主要以温室氣體二氧化碳為食。但這一設想有個缺陷:細菌進食二氧化碳的速度太慢了。

    快速繁殖的菌種能夠消耗更多的二氧化碳,但這類細菌更喜歡吃糖。去年,以色列魏茨曼科學研究所的羅恩·米洛(Ron Milo)教授以及其團隊,展示了將快速繁殖菌種——大腸桿菌,轉變為以二氧化碳為食的可能性。

    米洛團隊對大腸桿菌的基因進行了改造,插入消耗二氧化碳的光合細菌DNA,隨即將大腸桿菌置於高濃度二氧化碳和幾乎無糖的環境中。一年以後,大腸桿菌進化,以二氧化碳為食。

    “我們的研究證明了一個理念:在給予一定時間後,常用菌種的代謝機制是可以發生改變的。”團隊成員施繆爾·格雷澤爾(Shmuel Gleizer)博士説道。

    格雷澤爾表示,從理論上來説,一個結合了大腸桿菌的太陽能板,消耗二氧化碳的效率是光合作用的10倍。

    “我認為這是一項重大突破,”德國格里夫斯瓦爾德大學生物技術教授烏韋·伯恩斯伊爾(Uwe Bornscheuer)説,他未參與該研究。他補充道,通過研究的不斷髮展,這將為全球變暖帶來積極影響,意義重大。

    結合太陽能板和大腸桿菌的系統,可以更高效地淨化大氣中二氧化碳

    其他科學家正在做“土地益生菌”實驗,他們把精挑細選出來的微生物植入到土地中,既可提高土壤的碳儲存能力,又能加速作物的生長。

    一些研究人士宣稱,土壤益生菌植入土地後,一公頃農田可多儲存10噸二氧化碳。他們認為,這意味着世界上的農業用地具有吸收人類一年內所排放全部二氧化碳的潛能。

    但這類研究頗具爭議。澳大利亞南昆士蘭大學生態學家亞當·傅魯(Adam Frew)博士認為,問題在於我們並不足夠了解土壤中微生物羣落的確切本質,因此對它們進行有益改良是困難的。

    “捷徑是不存在的,”他説,微生物有提高土壤碳儲存的潛力,但更好的方式是培養本已生活在土壤中的微生物,而不是添加新的。

    06 污染

    細菌會吃掉幾乎所有含碳的物質,有些細菌甚至適應了以油和其他類型的污染物為食。

    “2010年,位於墨西哥灣的'深水地平線’鑽油平台發生漏油事故後,大量細菌隨即在四周繁殖。”華盛頓大學密蘇里聖路易斯分校微生物教授歌塔姆·丹泰斯(Gautam Dantas)如是説。

    這種以油為食的能力並非無人注意,世界各地的研究者分析接近石油泄漏區土壤中的細菌羣落,以分辨哪種細菌最擅長降解油污。一個設想是,可以將這些嗜油菌用於面臨嚴重油污染問題的地方。

    該方法的潛在問題是,我們對土壤中的細菌羣落知之甚少,這點和農作物益生菌一樣。

    “外來的細菌恐怕要和本土細菌展開激烈競爭,”德國赫姆霍茲中心環境研究所教授赫曼·赫派珀(Hermann Heipieper)説。

    但細菌仍然是清潔行動的重要一環。我們應記住更具意義的一點,那就是它們不斷進化和適應新食物的驚人能力。

    在“深水地平線”鑽油平台發生漏油事故後,海上油膜出現了以油為食的細菌

    如果工業工廠周邊的土壤遭到油污染,其中的細菌有可能會進化,開始以油為食。我們可以為這些細菌提供其它養分,幫助它們保持健康,從而加速以油為食的速度。這種方法叫做“生物刺激”。

    “這種方法通過定期加入含氮、磷、鐵的廢料實現。”赫派珀説。

    將細菌進行基因編輯同樣可行,這樣它們可以將汞等重金屬轉化為低毒性形態,但將基因編輯後的生物投入自然存在倫理和安全方面的問題。

    07 塑料

    細菌可不挑食。除了石油,它們也會食用以石油為原料製造的含碳產品,比如塑料。

    2016年,一個日本團隊去回收站收集聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)塑料樣品,該物質常用於製作飲料瓶和衣物中的聚酯纖維。他們發現部分樣本中存在以塑料為食的細菌。

    這些微生物使用一對稱為“PETase”和“MHETase”的生物酶,將塑料降解成更小的分子,如乙烯和乙二醇粒子,這些小分子可用於回收生產新塑料。研究者將此菌命名為Ideonella sakaiensis。

    這一研究發現最令人驚奇的地方在於,塑料造成的自然污染還不到80年。“並沒有用多長時間,這種細菌就進化到了可以食用這種新型人造含碳製品的地步。”伯恩斯伊爾(Bornscheuer)説。

    Ideonella sakaiensis細菌進食塑料的速度很慢,但生物學家可以把細菌體內分解塑料的酶提取出來,對它的結構進行改造,從而提高它的工作效率。

    2008年,朴茨茅斯大學的約翰·麥基漢(John McGeehan)教授率領團隊改良了一種叫做I.sakaiensis PETase的酶,使其降解塑料的效率提高了近20%。他們現在正在探索和改良其他種類細菌酶的降解效率,使其適用於商業用途,處理各類污染環境的塑料。

    今年早期發佈的一項研究揭示了成功的可能性。法國“綠色化學” 公司(Carbios)的研究人員提取了以塑料為食的酶——葉枝堆肥角質酶——這種酶是從十年前的廢料堆裏分離出來的,然後在實驗室中對其進行了結構改造。

    PETase酶(藍色)降解PET塑料(紅白色)


    正常來説,酶降解PET塑料需要花好幾天的時間,而經過改造後的酶只需幾個小時。研究人員用酶降解廢棄PET塑料後,將降解後的成分重塑成塑料瓶,和先前由石油所製造的塑料瓶一模一樣。

    “這證明了一個重要原則,經過改造,酶可以幫助我們循環利用污染嚴重的塑料。”未參與該實驗的麥基漢表示。

    細菌不僅只食用PET塑料。今年早期,赫派珀及其團隊在德國赫姆霍茲中心環境研究所找到了細菌可能會降解聚氨酯的證據,該物質用於製作隔熱層和汽車零件。

    “世界各地都有細菌降解塑料的報告,這令人振奮。”麥基漢説。

    08 抗生素

    1928年,亞歷山大·弗萊明(Alexander Fleming)發明了青黴素,這也是第一種抗生素。這一發明極其重要,人們至今仍依靠它來殺滅細菌保持健康。

    但隨着各種抗生素的誕生(尤其是過度使用),我們使抗生素遍佈整個大環境,細菌從而有大量機會適應並進化出抗藥性。令人驚訝的是,細菌或許剛巧幫我們解決了它們自己製造出來的麻煩,因為其中一些細菌以抗生素為食

    “我從事該研究十幾年了,但當我發現這一點時依然十分震驚。”丹泰斯稱。

    2018年,丹泰斯及其團隊發現了可以幫助土壤中細菌進食青黴素的酶。然後他們將這種能力轉移到了尋常可見且基本無害的大腸桿菌上。

    雖然有很多難關需要攻克,但丹泰斯表示,這種基因被編輯過的細菌最終很可能應用於污水處理站,來清除水中的抗生素。

    或許最大的問題是微生物之間會交換DNA,所以人們擔憂這一食用抗生素的基因最終傳遞給可造成危險疾病的細菌。這樣一來,細菌會吃掉本該除滅它們的藥物。

    一些細菌產生了抗藥性

    但如果有足夠的時間來改造細菌,研究者很有可能找到攻克難關的辦法,將細菌轉變為對付抗藥性的重要武器。

    想必這一理念對於那些瞭解細菌具備巨大潛能的人來説不會感到吃驚,畢竟我們已經讓細菌面對眾多挑戰:從清除二氧化碳,降解塑料,處理環境污染,再到生產食物,淨化水質,製造可再生能源,還有針對性的治療癌症。

    (本文未經造就授權,禁止轉載。

    文字 | Gabrielle;審校 | 田曉娜
    排版 | 海虹;參考 | Science Focus


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