[科普中國]-小小酵母菌在線“觀測”PM2.5毒性

圖為180分鐘后酵母菌對北京灰霾的響應

當PM2.5對酵母菌發(fā)生了某些損傷，相對應的綠色熒光蛋白就會表達并發(fā)光，這樣就好像“實時監(jiān)測到不同地區(qū)每輛車的行駛擁擠狀況”，從而可以更好地了解PM2.5的損傷機理。

交通要道、供暖鍋爐與農(nóng)田附近大氣中的細顆粒物PM2.5濃度相同，但三地PM2.5的毒性也許并不一樣，對人體的健康影響也可能大相徑庭。北京大學課題組研究人員近期取得了跨學科進展，集成了空氣采樣、酵母菌以及酵母菌蛋白熒光等自動檢測平臺，首次以熒光標記的酵母菌實現(xiàn)了對PM2.5毒性指標的多方面實時在線監(jiān)測。

研究人員認為，這種方法針對PM2.5等顆粒物對人體健康效應機制的研究提供了開創(chuàng)性的研究思路和方法，可以從分子水平多角度理解PM2.5對人體的可能損傷情況，有助于發(fā)現(xiàn)目前研究方法檢測不到或被忽略的健康效應及響應通路，從而可以避免“盲人摸象”的弊端。

酵母菌與人類基因有“同源性”

人類細胞與酵母菌細胞一樣有自噬現(xiàn)象，基本機理等也類似。并且具有相似的反應，通過PM2.5對酵母菌基因的損害可推斷出對人的基因的相關(guān)損傷。

當前，對大氣顆粒物毒性研究，大多采用細胞、老鼠等動物實驗，或人體觀測。但動物暴露實驗必須在高濃度劑量中進行，偏離實際環(huán)境暴露劑量；而且靈敏度較低，響應時間較長，需要幾小時甚至幾天；具有滯后性，觀測到損傷時，危害往往已經(jīng)顯現(xiàn)。

為何想到要用酵母菌來對PM2.5毒性來監(jiān)測？北京大學環(huán)境科學與工程學院研究員要茂盛解釋說，酵母菌基因與人的基因有“同源性”，并有相似的反應，PM2.5對酵母菌基因的損害可推斷出對人的基因的相關(guān)損傷。

例如，酵母菌的自噬作用。要茂盛說，日本教授大隅良典發(fā)現(xiàn)，人類細胞與酵母菌細胞一樣有自噬現(xiàn)象，基本機理等也類似。正因為在細胞自噬研究方面的成就，大隅良典獲得了2016年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。自噬作用是指細胞面對生存壓力時，可通過降解自身非必需成分來提供營養(yǎng)和能量，從而維持生命；自噬作用也可能降解潛在的毒性蛋白來阻止細胞損傷等。

要茂盛說，這種酵母菌俗稱釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae），共有6000多個基因。其基因序列在1996年已全部測序完成，也是第一個完成基因測序的真核生物。它被廣泛應用在人類疾病研究中，許多生命現(xiàn)象及蛋白功能都來自該酵母菌的研究。

“一個酵母菌5—10微米大小，半徑較大，在顯微鏡下用肉眼就能很容易看到，有利于監(jiān)測單細胞熒光，從而得以對PM2.5毒性的實時在線顯示。”要茂盛說，課題組前期對酵母菌的上百種基因蛋白進行了高通量篩查，發(fā)現(xiàn)了氧化損傷蛋白（HSP60）、DNA修復蛋白（SSA1）等對空氣中的PM2.5響應比較靈敏，“例如，我們在單個活體酵母菌上發(fā)現(xiàn)DNA修復發(fā)生在氧化損傷后的大約20分鐘，反應相當靈敏”。

綠色熒光蛋白實時顯現(xiàn)PM2.5損害

當PM2.5對酵母菌發(fā)生了某些損傷，相對應的GFP蛋白就會表達并發(fā)光，然后被酵母菌蛋白熒光自動檢測平臺“捕捉”到，這樣就好像“實時監(jiān)測到不同地區(qū)每輛車的行駛擁擠狀況”。

想實現(xiàn)對PM2.5毒性等實時在線監(jiān)測，就必須讓大氣中的PM2.5與酵母菌接觸產(chǎn)生相關(guān)刺激，所標記的基因得到及時表達，從而顯示相關(guān)毒性。要茂盛說，這就依賴綠色熒光蛋白（GFP）。

綠色熒光蛋白（GFP）最早于1962年在維多利亞多管發(fā)光水母中發(fā)現(xiàn)，其基因所產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，在藍色波長范圍的光線激發(fā)下，會發(fā)出綠色螢光。日本科學家下村修、美國科學家馬丁·查爾菲和錢永健等就是因為發(fā)現(xiàn)、改造了綠色熒光蛋白獲得了2008年的諾貝爾化學獎。

要茂盛說，課題組利用GFP標記的酵母菌，與擬研究的酵母菌蛋白一一“綁”在一起。就像是個“臥底”，當PM2.5對酵母菌發(fā)生了某些損傷，相對應的GFP蛋白就會表達并發(fā)光，然后被酵母菌蛋白熒光自動檢測平臺“捕捉”到，這樣就好像“實時監(jiān)測到不同地區(qū)每輛車的行駛擁擠狀況”，從而可以更好地了解PM2.5的損傷機理。檢測數(shù)據(jù)還可遠距離信息傳輸，“即使我在國外開會，也能及時收到放在北京的設(shè)備發(fā)出的檢測信息”。

要茂盛說，自動檢測平臺使用的是生物芯片，即把多個不同GFP標記的活體酵母菌放在一個芯片的不同地方，酵母菌在芯片里的培養(yǎng)液中只能小范圍移動?！爱斎梭w吸入PM2.5，人體組織細胞與其接觸發(fā)生交互反應，如同該系統(tǒng)酵母菌與顆粒物的接觸。酵母菌蛋白又與人體蛋白相似，所以PM2.5對酵母菌的損害可推斷出對人體的相關(guān)損害。不過，對酵母菌損害的響應時間快慢取決于PM2.5的濃度?！?/p>

揭示PM2.5對人具體致病毒性機制

未來還將人工合成一些比較靈敏的基因，綁定新基因后，酵母菌對PM2.5毒性的響應就會更靈敏、更迅速、更有針對性，可以實現(xiàn)精準檢測。

要茂盛認為，PM2.5毒性的實時在線監(jiān)測系統(tǒng)的成果，與北京大學物理學院副教授羅春雄領(lǐng)導的研究團隊努力是分不開的，而且是“站在巨人的肩膀”上，建立在兩個諾貝爾獎的科學成果基礎(chǔ)之上研發(fā)的，具有非常強的學科交叉性。

目前，此項研究成果已申請國家發(fā)明專利。課題組正在利用該系統(tǒng)對不同國家、不同地區(qū)大氣中的PM2.5毒性進行檢測和研究，同時也在篩查更多的有響應的酵母菌蛋白并研究其靈敏度、響應毒性精準度的標定，從而進一步全方位揭示PM2.5對人體的具體致病機制。

“未來，我們還將人工合成一些比較靈敏的基因，綁定新基因后，酵母菌對PM2.5毒性的響應就會更靈敏、更迅速、更有針對性，可以實現(xiàn)精準檢測?！币⒄f。

要茂盛表示，對PM2.5毒性的實時在線監(jiān)測系統(tǒng)是建立在他的“實時在線甄別空氣中的致病微生物系統(tǒng)-GREATpa”成果的基礎(chǔ)上的。

空氣中的微生物無色無味、具有潛伏性、瞬間性。如果不能對空氣微生物進行實時監(jiān)測，那么就無法及時發(fā)現(xiàn)空氣中潛在的微生物危害，從而可能造成非常嚴重的后果，如疫情爆發(fā)、生物恐怖襲擊等。

“實時在線甄別空氣中的致病微生物系統(tǒng)”在應對突發(fā)的公共衛(wèi)生事件以及臨床呼吸系統(tǒng)感染診斷以及生物預警、國防軍事防恐等領(lǐng)域具有重要的應用價值。要茂盛希望，在不久未來基于活體酵母菌傳感器的PM2.5毒性的實時在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠在我國應對霧霾危害、保護公眾健康方面發(fā)揮積極的作用。