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大内密探之酿酒酵母

来源: X一MOL资讯 日期: 2017年07月10日

 

真菌多种多样,对人类而言,有的是“良民”(比如香菇、平菇、鸡腿菇等),有的则是“坏蛋”(比如引发皮癣的毛癣菌)。就公众健康和食品安全角度而言,一些真菌称得上是“超迷你版杀手”。据统计,全球每年有超10亿人饱受由各种真菌所引发疾病的困扰,除去那些皮肤病,其实真菌还会引发各种内部感染,如口腔病变、淋巴结肿大等,严重时甚至危及生命。不仅如此,包括小麦、玉米在内的很多农作物也成了某些真菌的牺牲品,导致产量大跌。如今,美国哥伦比亚大学等机构的研究人员找到了一种成本低廉且简单易行的方法,能够快速找出藏身于患者、农作物和食品中的有害真菌。他们的研究成果近日发表在Science Advances 上。


对于配置良好的实验室和医院而言,找出捣乱的真菌并非难事。然而,传统检测手段往往需要用到抗体或测出相关基因,需要无菌检测环境和冷藏试剂,这些条件对很多不发达地区而言是很难达到的。


此番情景促使哥伦比亚大学合成生物学家Virginia Cornish 率领自己的研究团队开始寻找一种有较长保质期且无需冷藏设备的替代手段,让贫困地区的人也能用得起。经过努力,他们终于找到了自己想要的东西,这便是酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae)。与其他很多真菌一样,酿酒酵母有配对受体,这是一种位于细胞表面的蛋白质,可察觉由其他潜在“配偶”释放出的信息素。研究人员找来了白色念珠菌(Candida albicans),这是一种常见致病真菌。接下来,研究人员将这种真菌的配对受体基因移入酿酒酵母中。此外,他们还添加了几种服务于配体的基因,使得改造后的酿酒酵母可以制造出番茄红素——这是一种红色色素,具有抗氧化作用,在番茄中含量相当丰富。实质上,研究人员是把酿酒酵母给打造成了一种生物传感器,一旦发现白念珠菌的存在就变红。更厉害的是,测试结果在3小时内就能出来,效率相当高。

Virginia Cornish。图片来源:Columbia University


研究人员期待着设计出来的系统能够探测出更多类型的真菌感染,令他们惊喜的是,实际操作并不麻烦,只须用其他致病真菌(如稻瘟菌和禾谷镰刀菌)的配对受体基因取代酿酒酵母的相应基因即可。就这样,研究人员一共打造出了10种“改造版”酿酒酵母,每种都能探测出一种真菌疾病。

改造版酿酒酵母遇见真菌病原体图解。图片来源:Sci. Adv.


为了让酿酒酵母“生物传感器”使用起来更方便,研究人员想了一个办法,通过浸泡等操作将活的酵母细胞附着在试纸上(下图A),这样就可以很方便地对血液、尿液、水和污物等进行检测。非常棒的是,即便在室温下保存38周,这些经过改造的酿酒酵母仍未失去功能。“正如一个农庄可以自酿啤酒一样,如今它也可以拥有自己的酵母诊断产品了,”Cornish说,“这也算不上什么高不可攀的高科技。”

附有改造版酿酒酵母的试纸,能够很方便地对真菌病原体进行检测。图片来源:Sci. Adv.


Keith Pardee是加拿大多伦多大学的一名合成生物学家,他表示自己被这项研究深深打动了。“酿酒酵母太常见了,它来检测食品污染的确合适。”加拿大拉瓦尔大学微生物学家Maurice Boissinot也说:“这项研究颇值得称道,是个大突破,手段相当高明。”


不过,Boissinot也提醒到,这种传感器距离临床应用还有一段距离。事实上,在研究人员开展的试验中,所使用的真菌信息素的水平要高于正常情况下患者血液或尿液中的实际水平。杜克大学酵母专家Joseph Heitman也泼了一瓢冷水,他表示,曾有研究显示,因为有些真菌比较相似,某些酵母配对受体有可能“认错人”。这意味着,在试图找出真凶时,这种生物传感器可能会出现误判。


“我们的成果目前还称不上是颠覆性的,”Cornish承认,“不过,我们在努力向前。”Cornish的团队还计划开发另一种类似的生物传感器,只不过这回瞄准的对象变成了细菌中的“坏蛋”(如霍乱菌)。Boissinot表示:“这样的生物传感器令人印象深刻,我们应该开展更多的工作,让微生物更好地服务于人类,而非给人类带来灾祸。我深信,这些科学成果在未来必将结出硕果。”


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