能在核反应堆中存活！一种神奇细菌为疫苗开发提供了“简单粗暴”的新思路

抗辐射奇异球菌(Deinococcus radiodurans)最早于1956年在俄勒冈州立大学(Oregon State University)被发现。当时，研究人员使用伽马射线为一罐碎肉消毒，但经过“灭菌”的肉还是坏了，这都要怪抗辐射奇异球菌在辐射面前超乎寻常的生命力：这种强壮的微生物能够承受高达5000 Gy的辐射，大约是致死剂量的1500倍。

即使在极端微生物的世界里，抗辐射奇异球菌也是不寻常的，因为它进化的目的不是在一个独特的困难环境中生存，而是在许多环境中生存。

举一个更常见的例子，生活在极端环境中的微生物烟孔火叶菌(Pyrolobus fumarii)几乎只在深海的热液喷口附近发现。

抗辐射奇异球菌能够长时间暴露在各种环境中，从有毒化学物质和腐蚀性酸，到干燥的沙漠高温和零下温度。

在分解这些肉之后的几十年里，人们发现大量的抗辐射奇异球菌占据了核反应堆的冷却水箱，并在南极洲干燥山谷的风化花岗岩上令人难以置信地蓬勃生长。

它们在欧洲航天局(European space Agency)的一颗卫星上经受了太阳辐射和太空真空的考验，并在位于科隆的德国航空航天中心(German Aerospace Center)进行的艰苦的火星生活模拟中幸存下来。

抗辐射奇异球菌是如何做到这些的，在研究它的小型国际研究团体中仍然是一个有争议的话题。

近年来，统一服务大学(Uniformed Services University)的分子生物学家Mike Daly一直在研究如何利用这种细菌独特的抗辐射能力来生产更快、更便宜、更安全的疫苗。

今年早些时候，Daly和他在USU的团队公布了他们努力生产灭活脊髓灰质炎疫苗的结果，这是一个他们与生物技术公司Biological Mimetics合作的项目，该公司由几位前美国国家癌症研究所(National Cancer Institute)的科学家创立。

BMI主席Greg Tobin是一名病毒学家，曾在该研究所领导SAIC-Frederick的基因表达调控小组。他说:“关于小儿麻痹症我们知道得很多。”

“所以，如果你想挑选一些东西来描述免疫，脊髓灰质炎是一个很好的‘概念证明’。”

几十年来，放射生物学家的普遍假设是，微生物抵御辐射损伤的关键策略涉及直接保护其DNA的活跃的细胞机制，包括一套应对辐射暴露而产生的新型DNA和RNA修复蛋白。

但是，正如Daly和他的同事们在早期开始注意到的，抗辐射奇异球菌有一个更间接的方法:它主要专注于隔离所有修复蛋白，保护“救援人员”在冒险清理和重建基因组时免受伤害。

形象地来说，在显微镜下，细胞遭到强烈辐射后的情景就像把一锅意大利面煮开，直到面条全部溶解成不连贯的糊状颗粒。

在放射性轰击过程中，伽马射线和X射线都能激活并分解细胞内的水分子，从所有新释放的氢和氧离子中生成高活性的“氧化”化合物。

比辐射本身更严重的是，这些氧化性化合物破坏了细胞内所有的小细胞器和有用的大分子。

为了对抗这种情况并保存抗辐射奇异球菌的修复蛋白，细菌会制造一种含有正电荷锰的特殊抗氧化化合物。

人体自身的一些关键抗氧化剂，如超氧化物歧化酶，也使用同样的矿物质元素。除这些化合物外，锰本身就是一种非常强大的抗氧化剂。

Daly说:“我们已经证明，这些锰配合物在保护蛋白质免受辐射中产生的氧化剂的影响方面非常出色。”

“但是，这些锰抗氧化剂并不能保护DNA或RNA。所以，当这一点变得非常明显时，我对自己说，‘这听起来像是一种制造疫苗的理想方法。’”

人们需要的疫苗是一种保留了足够多的病毒特征以训练人体免疫系统识别的、又足够安全不会导致健康影响的东西。这两种因素在疫苗研发中很难平衡。

Daly说，如果在大量制造病原体时，把它们与这些锰抗氧化剂放在一起，人们就可以消除掉基因组(无论是DNA还是RNA)，使其完全不具有传染性、无菌，但又保留所有的结构、肽、配体和表面物质。

在许多疫苗的研发中，科学家们往往需要面对诸多问题：要进行实验室研究以确定病毒每一部分的作用，这样才能挑选出其中既有用又安全的部分;要在对病毒灭活的同时保留其关键的表面蛋白等，而传统的热、化学等处理方法往往破坏掉这些，使免疫反应非常微弱。

Daly的方法可以省略掉这其中的许多步骤，以非常快的速度制造出病毒灭活疫苗，并且保留其完整性。

不过，对于Daly描绘的这个前景，有些科学家仍然存有疑惑：如果这种锰的复合物仅仅是一种抗氧化剂，能够降低那些在受辐射细胞内的自由基能量，那么它为什么不能保护细胞的每个部分，只能选择性地保护蛋白质?

根据Daly的说法，答案“并不复杂，只是化学反应。”

暴露在伽马射线下的细胞中产生的主要活性氧之一是超氧化物(O2-)，它不会与DNA或RNA发生化学反应，但会破坏细胞的蛋白质组。

Daly说，在抗辐射奇异球菌中发现的细胞内锰抗氧化复合物(主要由锰、正磷酸盐和肽组成)和Daly的团队正在为他们的实验大量生产的合成版本(一种锰十肽复合物，他们称之为MDP)，都“只在清除超氧化物时有效”，这意味着“MDP保护蛋白质，而不是基因组。”

以RNA为基础的病毒，特别是冠状病毒，MDP复合物只与外部蛋白质相互作用，不会穿透衣壳，因此也不会足够接近RNA基因组，保护它们免受灭活的伽玛辐射。

因此，经过这样处理后的病毒就像是“被遗弃的敌方潜艇”，等待着被人体免疫系统捕获。

很多疾病目前仍然没有研发出可靠、有效的疫苗。而从理论上讲，只要有一点辐射和一些锰十肽复合物，就可以生产出针对这些疾病的可行候选疫苗，时间比许多疫苗开发计划、甚至形成一个可行的理论模型所需的时间都要短。

除了对两种脊髓灰质炎毒株的有希望的疫苗工作外，Daly和Tobin的小组已经成功地研制出了辐射疫苗，在动物研究中对另外两种基于RNA的病毒高度保护，这两种病毒是委内瑞拉马脑炎病毒(VEEV)和基孔肯雅热。

就像击中小目标比击中大目标更难一样，基因组较小的病毒比基因组较大的病毒需要更多的伽马射线照射才能将其杀死。

冠状病毒的大小大约是VEEV、基孔肯雅热或脊髓灰质炎病毒的三倍(根据最近的研究，其单链RNA的长度约为26到32个碱基)，这意味着，与Daly和他的同事们过去的项目相比，在锰抗氧化剂和宇宙射线的水溶液中使其失活可能更容易，对蛋白质的作用更温和，辐射强度也更小。

Daly说:“伽玛辐射是由钴-60产生的，它是核工业的副产品。”

“这是非常昂贵的，这是非常危险的。它必须保持在高度安全的设施上——这就是为什么我们要开始思考，有没有其他形式的辐射也能起到类似的作用，但是更容易获得呢?”

疫苗只是抗辐射奇异球菌带来的灵感的其中一项潜在应用之一。这种保护生命形式不受强辐射影响的能力甚至可能有助于癌症放疗治疗、星际旅行。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

原文来源：

https://gizmodo.com/bacteria-found-in-nuclear-reactors-could-be-the-secret-1843965129