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目前,公众对科学的态度十分矛盾。公众期望科技新发展能够继续提高生活水准,但他们又怀疑科学,因为他们不懂科学。
——斯蒂芬.霍金

不论科学家是否愿意,如今的科学研究,早已不再是那种苹果树下思考问题的自娱自乐。发达的传播媒介可以在短时间将那些原本只在学术圈内慢慢流传的研究内容变成地球人都知道的科学故事。对于科学研究而言,这种关注可说是“有利有弊”。公众的关注可以让科学研究得到更大的重视,获取更多的资源。2010年因人造生命话题而大出风头的生物学家Craig Venter就是利用公众关注的高手 (他的故事,可见http://songshuhui.net/archives/45095)。另一方面,如霍金所言,公众因为不理解科学而产生不信任,使关注变成争议。

虽然没人认真统计过,哪门学科哪项技术成为“争议话题”的频率最高。可以肯定,基因工程技术在争议榜上排名一定低不了。在一些公众的眼中,那些穿着白色实验服、戴着手套的研究人员怎么看怎么不靠谱。且不说那些人会不会因为好奇心搞出个哥斯拉来。就说他们手里的试管,里面的微生物都带有人为植入的基因。如果这些微生物跑出实验室,会不会对人类健康或者环境造成重大威胁?现在人类面对的一些棘手疾病,例如H1N1、超级病菌、SARS,会不会是从实验室意外流出的基因工程微生物?

其实,这种对实验室微生物“逃逸”的担忧颇有历史。早在1970年代初期就已经开始,而最早表示出这种担忧的,不是别人,正是一些从事基因工程研究的专业人士。1970年代初,基因工程技术尚处在起步阶段。科学家将DNA片段在体外拼接,制造出重组DNA,再将重组DNA送入大肠杆菌中,使得大肠杆菌产生新的性状或者制造出科学家想要的蛋白质。当时实验所用的DNA片段有不少来自于抗生素抗性基因和肿瘤病毒SV40的基因。于是,一些与微生物直接打交道的研究人员就开始担心,携带有肿瘤病毒基因的大肠杆菌会不会从实验室“泄漏”出来,进入人体肠道,使人患上癌症。也有人担心,一旦经过基因工程改造过的细菌出现在实验室以外,它们携带的抗生素抗性基因是否会传递给其它细菌,导致不惧怕抗生素的超级细菌出现。科研人员的这种忧虑,经过媒体的宣扬,在当时的社会上形成了一股反对“基因工程”的风潮。

当时一本杂志的封面,穿白大褂的科研人员正在改造象征DNA的双螺旋结构,而顶端的凶恶毒蛇造型表明了杂志对于基因工程的态度

到了1974年,担忧达到高潮。包括多名诺贝尔奖得主在内的一批科学家在《自然》杂志上撰文,呼吁在认真研究基因工程风险之前,停止相关的研究工作。这次的呼吁,在科学史上,也许绝无仅有。没有任何证据表明危害存在,没有法律限制,没有政府命令,却要求科学家停止工作。要知道,在那个基因工程的“淘金"年代,任何研究进展都可能意味这巨大的学术荣誉和经济利益。世界上第一个基因工程专利,在1980年被批准后,仅专利费就赚取了超过1亿美元。但是,出于对安全的考虑,绝大部分科学家对呼吁表示支持,停止了手头的工作。

1975年2月,旨在探讨基因工程安全性的学术会议在美国加利福尼亚的阿斯络马召开。数百人参加了这次在生命科学史上有着重要地位的会议,他们中有生物学家、医生、律师、媒体工作者,甚至还有来自冷战铁幕另一侧的苏联代表。在会上,科学家决定开始建立一个完善的系统将研究用微生物给“禁锢”起来,让它们为科研服务,但不会逃出去危害人类健康和自然环境。

这个囚禁微生物的特殊“监狱”主要由两道屏障组成。一道屏障被称为物理屏障(Physical Containment)。在建起这道屏障之前,科学家将实验室中所用的微生物,根据危险程度,划分为了不同级别。各国的分级标准大同小异,以分成四个级别居多,从基本没有危险的一级到最危险的四级。第四级微生物以病毒居多,是指那些能引起人类或者动物严重疾病的微生物,也包括那些从未被发现或者已经宣布被消灭的微生物。2003年非典事件后,“第四级病毒”成为一个在媒体上曝光度颇高的词语。

临床检验微生物等级分布,低风险的二级微生物最为常见(来自永康疾控网-实验室生物安全讲稿)

所谓物理屏障,就是针对这四级微生物所设立的四个实验室防护级别。从简单到最严密,分成P1、P2、P3和P4四级,这其中的P就代表物理屏障 Physical Containment。针对不同等级的微生物,物理屏障必须做到保护操作人员不受到微生物的危害,同时还要防止微生物被“泄漏”到实验室以外。以常见的 P2级实验室为例,操作人员需要穿着实验服,戴手套,在生物安全柜中对微生物进行处理,以避免直接接触微生物。P2实验室的废弃物必须经过高压灭菌后才能丢弃,保证了微生物不会“逃逸”。而要求最高的P4级实验室中,从穿着正压防护服保护操作者,到完全独立的建筑及配套设施来隔离微生物,所有配置都以最危险的微生物为假想敌。

电影《恐怖地带》的剧照,全身正压防护服是P4实验室的标志之一

物理屏障虽然严密,但是它的效果完全依赖于操作人员的素质和认真程度。违规操作,例如为了图省事,把三级微生物带到P2实验室操作,就会使得屏障失去作用。根据墨菲定律(Murphy's Law),会出错的事总会出错。把“禁锢”基因工程微生物的希望完全寄托在操作人员永不出错上,显然是不可靠的。于是,科学家又设计出另一道屏障,生物屏障(Biological Containment)。

墨菲定律: Anything that can go wrong, will go wrong

生物屏障的设计思想是设法基因工程所用的微生物只有在人造环境中才能正常生长。即使发生意外“逃逸”,也不必担心这些微生物会在自然界或者人体中兴风作浪。因为离开了特殊的人造环境,它们会迅速死亡。与有形的物理屏障不同,生物屏障是无形的,但却更加严密。

生物屏障也有相应的分级系统。安全性从低到高,分为EK1、EK2和EK3三个级别,不同的微生物的分级标准有所不同。以基因工程中最常用的大肠杆菌为例,EK1标准是所有基因工程用大肠杆菌必须要达到的最低标准。符合EK1标准的菌株必须没有危害健康人群的能力,也很难在自然界或者人类肠道内存活。与 EK1相比,符合EK2或者EK3标准的菌株必须做到生存力更差和可能致人生病的几率更低。

第一个达到EK1标准的大肠杆菌是一个编号为K12的菌株。1922年,微生物学家从一名康复期白喉病病人的粪便中分离得到了原始的K12。其后整整五十年,K12都是在斯坦福大学的实验室中度过。而它生存的环境也从人类的肠道变成了人工配制的培养基。考虑到大肠杆菌每20分钟就能繁殖一代,50年的人工 “驯养”实在是非常的漫长,漫长到让K12丧失了一些最基本的生存能力。例如,普通的大肠杆菌能产生一种称为生物薄膜(Biofilm)的物质。生物薄膜可以帮助大肠杆菌牢牢附着在潮湿的物体表面,这对于大肠杆菌在人体内的存活意义重大。另外,生物薄膜能让大肠杆菌对抗生素和去污剂的抵抗力上升几百倍。有生物薄膜覆盖的大肠杆菌细胞对于外界环境的变化的反应也变得更为迅速。但是,被“驯化”的K12菌株却不具备产生生物薄膜的能力,以致于它根本无法在试管以外正常存活。科学家正是利用了K12的低生存能力,让它“安心”地为科研服务。

到了1976年,在K12的基础上,科学家又培育出了能符合更严格要求的EK2标准的新菌株。因为恰逢美国200年国庆(1776建国),新菌株被命名为 x1776。x1776比K12更为“虚弱”,惧怕阳光,惧怕稍稍偏高的温度,对普遍存在于人类生活环境中的微量去污剂很敏感。更重要的是,x1776的胃口非常特殊,它需要一种在人类肠道中根本不存在的物质,二氨基庚二酸,才能存活。因此,除了人工添加了二氨基庚二酸的培养基,x1776哪里也去不了。

目前,常用于生物学研究的大肠杆菌菌株,如DH5α,BL21等等,大多源自K12,全部符合EK1或者EK2安全要求。

为了让生物屏障更加严密,除了安全菌株,科学家还配套开发了安全载体。所谓载体,顾名思义是一种运载工具。在基因工程中,载体把科学家感兴趣的DNA片段带入宿主细胞内,并且帮助DNA片段在细胞内实现自我复制和指挥蛋白质合成。基因工程中,最常见的载体是一种头尾相连的环形DNA分子,叫做质粒。为了满足生物屏障的要求,科学家对质粒进行了改造,开发出了安全质粒。安全质粒不具备在不同细胞间转移的能力,也就是说它自始至终只能呆在一个细胞中。安全质粒与安全菌株配合使用,就形成了一个双保险。即使发生细菌“逃”出实验室的意外,在其短暂的存活期内,装载在安全质粒中的外源DNA也会被牢牢锁定在细胞内,直到细胞死亡。

图中的绿色环状物就是载体。载体将外源DNA的带入细胞,并帮助它在细胞中“安家落户”和发挥作用。
安全载体只会呆在它最初进入的那个细胞

从1970年代初到现在,基因工程的研发和运用已经走过了将近40年的岁月,在医疗、农业等方面贡献颇多。可以说,基因工程满足了人们希望科学技术提高生活水准的愿望。另外一方面,最初那些担忧者所设想的恐怖微生物灾难并没有在现实中发生,科学家用事实答复了民众当初的怀疑。这四十年的安全不是简单的幸运,而是科学家一系列努力的结果。如今的世界,同样存在一些争议颇大的科学技术。简单的“立”或者“废”,都不能有效解决问题。如何在技术发展之初就预测它可能产生的负面影响,在负面影响产生之前构建起一个系统防止影响的发生,在系统可能出现纰漏前设法完善系统,才是实现趋利避害的好方法。

参考资料
【1】Summary Statement of the Asilomar Conference on Recombinant DNA Molecules

【2】Can laboratory reference strains mirror "real-world" pathogenesis?

【3】Isolation of an Escherichia coli K-12 Mutant Strain Able To Form Biofilms on Inert Surfaces: Involvement of a New ompR Allele That Increases Curli Expression

【4】Asilomar Conference

【5】Biofilm

【6】The Paul Berg Papers

【7】The Biosafety Levels

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26 Responses to “越界者死——被禁锢的实验室微生物”

  1. 怎么赚钱说道:

    把上面有蛇的弯曲改成美元标志,可能代表一部分人。

  2. 抱鱼睡的猫说道:

    看上去~好恐怖。。。

  3. 疯和尚说道:

    沙个发
    长见识了。对了,早期好像还有其他营养缺陷型的菌株,那是为了建立生物屏障还是用于筛选的??

    • 山要说道:

      good question啊
      我个人猜测,应该是用于筛选。因为资料记载,当时做containment细菌的实验室,其实只有一个,就是开发出X1778的那个阿拉巴马大学的实验室

  4. 疯和尚说道:

    靠,看完了才留言只好坐地板了。

  5. c2blog说道:

    还是有点内容的。

  6. Sheldon说道:

    为啥这种质粒出不去呢?体积比较大?

    • Ent说道:

      把负责天然转移机制(比如接合)的部分给剔除了吧……体积不能太大,不然人工转化的时候又麻烦了。

    • Ice说道:

      质粒具转移性。

      它是指在自然条件下,很多质粒可以通过称为细菌接合的作用转移到新宿主内。

      它需要移动基因 mob ,转移基因 tra ,顺式因子 bom 及其内部的转移缺口位点 nic。

      质粒分为转移性质粒和非转移性质粒。或接合型(conjugative)与非接合型(nonconjugative)。

      前者含有tra基因;能通过接合作用从一个细胞转移到另一个细胞。

      非转移性质粒,不含tra基因;

      但后者也可以为转移性质粒所带动转移。

      • whatiseasylife说道:

        质粒过不了膜的,实验室里面转质粒的时候是要通过热击电导等方法的

  7. 长见识了 微生物很恐怖

  8. freeya说道:

    额,最无害和最有害的都是病毒

  9. 说道:

    晕,评论的内容比文章还难理解……

  10. Sheldon说道:

    我原来以为质粒的DNA被其他细菌吸收,就像荚膜细菌试验那样,你把死细菌和活细菌混合起来,就转移了

    • Mistyland说道:

      不是单方面主动的吸收
      是感受,被动的接受,
      用并用CaCl2处理,使其处于感受态或使用电击穿孔等物理化学方法达到在细胞间传递的目的

  11. 看流云说道:

    但是,电影更真实……

  12. cj说道:

    一切都是那么的熟悉,高中生物啊!

  13. Even说道:

    这篇文章教育意义很深刻…例如:物理屏障(P1,P2...),生物屏障(EK1,EK2...)

  14. mir-2说道:

    这样的文章真精彩,希望山要兄多写点。

  15. l说道:

    “目前,常用于生物学研究的大肠杆菌菌株,如DH5α,BL21等等,大多源自K12”
    BL21是B菌株吧

  16. 文盲说道:

    假设人类是其他生命体的实验品,如同这片文章中所描述的大肠杆菌一样,被限制了很多功能以增加扩展难度,所以人体才会有一些看似无用,或未发现明确用途的器官和功能。有什么明确的逻辑能证伪这个假设么?表误会,我是个游戏制作人员,只想以此积累一些漏洞不太多的点子。

  17. 黎琛说道:

    我看过一种做法是把菌体RNA里面的关键基因给敲掉 比如说NAD基因 然后把这个基因接到外源质粒上 然后转染

  18. 隐矢宇说道:

    好无耻没下限的广告

  19. 隐矢宇说道:

    咦,楼主吧广告删了?好、、好。

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