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真空中被辐射十天还能繁衍,地球最强生物水熊虫有“金钟罩”

来源:澎湃新闻 2017-03-20 09:42



从 6000 多米高的喜马拉雅山脉到 4000 多米深的海沟,从超过沸点的水温到冻在冰川里 30 年,它们能安然存活。“丧心病狂”的科学家们甚至把它们带上太空,暴露在高剂量辐射的真空中 10 天,它们还能照常繁殖。这种世界上生命力最顽强的生物门类就是缓步动物门(Tardigrade),它们更为人熟知、也更“萌”的名字是水熊虫(water bear)。

科学家们一直在试图揭秘水熊虫顽强的生存能力,尤其是水熊虫的“泡发”过程:在极端干旱的情况下,水熊虫的细胞会完全脱水,但一旦接触到水,水熊虫的生命活动又会完全复苏。美国北卡罗来纳大学(UNC)发表在最新一期《细胞分子学》(Molecular Cell)上的文章指出,一种叫做无序蛋白(disordered protein)的物质可能是解开谜团的一把钥匙。在脱水状态,水熊虫细胞内的无序蛋白会给其他关键的分子,比如其他蛋白质,筑起一层玻璃状的保护壳,直到缺水状态解除。

水熊虫泛指缓步动物门下的几千种水生生物,大小从 0.1 毫米到 1.5 毫米不等,共有 4 对足,因为生存能力强大,几乎无处不在。科学家在早期就已发现水熊虫的这种特性并对此展开研究。2007 年 9 月,瑞典克里斯蒂安斯塔德大学生态学家 K.IngemarJ?nsson 为了让水熊虫挑战更恶劣的环境,拜托欧洲航天局(ESA)把两个品种的水熊虫带入了一艘俄罗斯无人太空飞船,代号为 Tardis(Tardigrades in space,与著名科幻英剧 Doctor Who 中的时光机器同名)。

当太空飞船抵达近地轨道时,实验正式启动,水熊虫被分为 4 组。其中一组水熊被安置在了真空环境中,但不受任何辐射侵袭。另外 2 组被暴露在真空和一种辐射的环境中(其中一组的辐射为 A 紫外线,另一组为 B 紫外线)。最后一组被暴露在真空和两种辐射叠加的环境中。十天后几乎所有的水熊虫都“干涸”了。但他们在太空飞船中接触到一点点水后,四组水熊虫都迅速“复活”了。几天后,B 紫外线组的生存率跌至 10%-15%,而综合辐射组无一幸存,但这些早逝的水熊虫也在死亡前繁殖出了正常的后代。

这个实验结果让科学家们更迫切地期望找到水熊虫顽强存活的秘方。他们推测,水熊虫中可能存在一些特殊的耐胁迫物质,比如一些特殊的蛋白质。抗旱和抗辐射能力是非常实用的“超能力”。如果能把水熊虫的抗旱秘方转移到农作物和疫苗上,农作物就能适应更干旱的环境,疫苗则可以方便地干燥贮存、运输,免去了冷冻的成本。而抗辐射能力更是令人遐想:在未来可能的太空旅行、火星移民计划中,太空辐射都是一道令人头疼的阻碍。如果人类向水熊虫学习到抗辐射能力,就有了在太空间旅行的资本。

学界首先在抗辐射能力上打开了突破口。2015 年,就是北卡罗来纳大学的这个团队在水熊虫体内发现了相当一部分外源基因,他们认为水熊虫之间存在高水平的基因横向转移(HGT) 现象,从而让水熊虫不断吸收抵御极端环境的基因。

然而,这一结论遭到质疑,许多学者认为是该团队的实验样本受到了污染,2016 年,日本东京大学的一个研究团队指出,他们并没有在水熊虫上发现基因横向转移,但发现了一种抗辐射的特殊蛋白 Dsurp(damage suppressor, 伤害防御机制),它能在辐射环境中对 DNA 和其他核心分子进行保护。研究者将这种带有特殊蛋白植入人类细胞的 DNA 中,并将这些修改过的细胞暴露在 X 射线下,实验结果是 X 射线诱发的 DNA 损伤降低了大约 40%,细胞的辐射抵御能力也得到了整体提升。

这次,UNC 又发现了另一种蛋白质“金钟罩”,可以在缺水时期保护水熊虫细胞。这是一类名为固有无序蛋白(IDP)的蛋白质。实验发现,当各类水熊虫开始变干燥时,他们要么开始持续生成无序蛋白,要么生成蛋白的 TDP 基因开始高水平表达。无序蛋白和一种名叫海藻糖的糖类合作,在干燥的细胞体内形成非晶态固体(non-crystalline amorphous solid,又称玻璃体,可看作过冷液体,如玻璃、松香、明胶等)。这个玻璃金钟罩将一些核心分子,比如其他蛋白质包裹住,防止他们变性、溶解和分解。研究人员认为无序蛋白在水熊干燥的进程中充当了一名“功能性调节者”,帮助水熊虫细胞在玻璃化状态和遇水复苏状态间切换。

为了测试水熊虫的蛋白质金钟罩在其他生物中的表现,他们重新编辑了酵母菌和细菌的基因,使他们开始分泌水熊虫特有的一种固有无序蛋白,CAHS 蛋白。酵母菌和细菌的抗干旱能力都大大提高。这证明了水熊虫的抗干旱秘方可以被其他原核和真核生物“借用”。

现在你是不是也很想见识一下这种神奇的生物呢?根据 BBC 一篇科普文章的指南,只要你采下一块苔藓,把苔藓泡在水里,接着把苔藓里的水沥出来,放到显微镜下,你就能看到顽强的水熊虫了。(生物谷 Bioon.com)
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