小小酵母菌有了大用处：可实时监控PM2.5毒性
图为180分钟后酵母菌对北京灰霾的响应
当PM2.5对酵母菌发生了某些损伤,相对应的绿色荧光蛋白就会表达并发光,这样就好像“实时监测到不同地区每辆车的行驶拥挤状况”,从而可以更好地了解PM2.5的损伤机理。
交通要道、供暖锅炉与农田附近大气中的细颗粒物PM2.5浓度相同,但三地PM2.5的毒性也许并不一样,对人体的健康影响也可能大相径庭。北京大学课题组研究人员近期取得了跨学科进展,集成了空气采样、酵母菌以及酵母菌蛋白荧光等自动检测平台,首次以荧光标记的酵母菌实现了对PM2.5毒性指标的多方面实时在线监测。
研究人员认为,这种方法针对PM2.5等颗粒物对人体健康效应机制的研究提供了开创性的研究思路和方法,可以从分子水平多角度理解PM2.5对人体的可能损伤情况,有助于发现目前研究方法检测不到或被忽略的健康效应及响应通路,从而可以避免“盲人摸象”的弊端。
酵母菌与人类基因有“同源性”
人类细胞与酵母菌细胞一样有自噬现象,基本机理等也类似。并且具有相似的反应,通过PM2.5对酵母菌基因的损害可推断出对人的基因的相关损伤。
当前,对大气颗粒物毒性研究,大多采用细胞、老鼠等动物实验,或人体观测。但动物暴露实验必须在高浓度剂量中进行,偏离实际环境暴露剂量;而且灵敏度较低,响应时间较长,需要几小时甚至几天;具有滞后性,观测到损伤时,危害往往已经显现。
为何想到要用酵母菌来对PM2.5毒性来监测?北京大学环境科学与工程学院研究员要茂盛解释说,酵母菌基因与人的基因有“同源性”,并有相似的反应,PM2.5对酵母菌基因的损害可推断出对人的基因的相关损伤。
例如,酵母菌的自噬作用。要茂盛说,日本教授大隅良典发现,人类细胞与酵母菌细胞一样有自噬现象,基本机理等也类似。正因为在细胞自噬研究方面的成就,大隅良典获得了2016年诺贝尔生理学或医学奖。自噬作用是指细胞面对生存压力时,可通过降解自身非必需成分来提供营养和能量,从而维持生命;自噬作用也可能降解潜在的毒性蛋白来阻止细胞损伤等。
要茂盛说,这种酵母菌俗称酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae),共有6000多个基因。其基因序列在1996年已全部测序完成,也是第一个完成基因测序的真核生物。它被广泛应用在人类疾病研究中,许多生命现象及蛋白功能都来自该酵母菌的研究。
“一个酵母菌5—10微米大小,半径较大,在显微镜下用肉眼就能很容易看到,有利于监测单细胞荧光,从而得以对PM2.5毒性的实时在线显示。”要茂盛说,课题组前期对酵母菌的上百种基因蛋白进行了高通量筛查,发现了氧化损伤蛋白(HSP60)、DNA修复蛋白(SSA1)等对空气中的PM2.5响应比较灵敏,“例如,我们在单个活体酵母菌上发现DNA修复发生在氧化损伤后的大约20分钟,反应相当灵敏”。
绿色荧光蛋白实时显现PM2.5损害
当PM2.5对酵母菌发生了某些损伤,相对应的GFP蛋白就会表达并发光,然后被酵母菌蛋白荧光自动检测平台“捕捉”到,这样就好像“实时监测到不同地区每辆车的行驶拥挤状况”。
想实现对PM2.5毒性等实时在线监测,就必须让大气中的PM2.5与酵母菌接触产生相关刺激,所标记的基因得到及时表达,从而显示相关毒性。要茂盛说,这就依赖绿色荧光蛋白(GFP)。
绿色荧光蛋白(GFP)最早于1962年在维多利亚多管发光水母中发现,其基因所产生的蛋白质,在蓝色波长范围的光线激发下,会发出绿色萤光。日本科学家下村修、美国科学家马丁·查尔菲和钱永健等就是因为发现、改造了绿色荧光蛋白获得了2008年的诺贝尔化学奖。
要茂盛说,课题组利用GFP标记的酵母菌,与拟研究的酵母菌蛋白一一“绑”在一起。就像是个“卧底”,当PM2.5对酵母菌发生了某些损伤,相对应的GFP蛋白就会表达并发光,然后被酵母菌蛋白荧光自动检测平台“捕捉”到,这样就好像“实时监测到不同地区每辆车的行驶拥挤状况”,从而可以更好地了解PM2.5的损伤机理。检测数据还可远距离信息传输,“即使我在国外开会,也能及时收到放在北京的设备发出的检测信息”。
要茂盛说,自动检测平台使用的是生物芯片,即把多个不同GFP标记的活体酵母菌放在一个芯片的不同地方,酵母菌在芯片里的培养液中只能小范围移动。“当人体吸入PM2.5,人体组织细胞与其接触发生交互反应,如同该系统酵母菌与颗粒物的接触。酵母菌蛋白又与人体蛋白相似,所以PM2.5对酵母菌的损害可推断出对人体的相关损害。不过,对酵母菌损害的响应时间快慢取决于PM2.5的浓度。”
揭示PM2.5对人具体致病毒性机制
未来还将人工合成一些比较灵敏的基因,绑定新基因后,酵母菌对PM2.5毒性的响应就会更灵敏、更迅速、更有针对性,可以实现精准检测。
要茂盛认为,PM2.5毒性的实时在线监测系统的成果,与北京大学物理学院副教授罗春雄领导的研究团队努力是分不开的,而且是“站在巨人的肩膀”上,建立在两个诺贝尔奖的科学成果基础之上研发的,具有非常强的学科交叉性。
目前,此项研究成果已申请国家发明专利。课题组正在利用该系统对不同国家、不同地区大气中的PM2.5毒性进行检测和研究,同时也在筛查更多的有响应的酵母菌蛋白并研究其灵敏度、响应毒性精准度的标定,从而进一步全方位揭示PM2.5对人体的具体致病机制。
“未来,我们还将人工合成一些比较灵敏的基因,绑定新基因后,酵母菌对PM2.5毒性的响应就会更灵敏、更迅速、更有针对性,可以实现精准检测。”要茂盛说。
要茂盛表示,对PM2.5毒性的实时在线监测系统是建立在他的“实时在线甄别空气中的致病微生物系统-GREATpa”成果的基础上的。
空气中的微生物无色无味、具有潜伏性、瞬间性。如果不能对空气微生物进行实时监测,那么就无法及时发现空气中潜在的微生物危害,从而可能造成非常严重的后果,如疫情爆发、生物恐怖袭击等。
“实时在线甄别空气中的致病微生物系统”在应对突发的公共卫生事件以及临床呼吸系统感染诊断以及生物预警、国防军事防恐等领域具有重要的应用价值。要茂盛希望,在不久未来基于活体酵母菌传感器的PM2.5毒性的实时在线监测系统能够在我国应对雾霾危害、保护公众健康方面发挥积极的作用。
