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托馬斯·布洛克|你做的每一次核酸檢測，都離不開這種細菌的功勞


托馬斯·布洛克|你做的每一次核酸檢測，都離不開這種細菌的功勞
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布洛克拍攝的蘑菇泉 | Wikimedia Commons
接下來的十年，兩人主要的研究都集中在“為什么”：在當時“生命能夠承受的最高溫度在55°左右”的普遍認知下，為什么水生嗜熱菌如此特別？生物都有它自身最適的溫度范疇，而一般決定這個范疇的是這種生物體內的酶 。作為蛋白質，超過一定的溫度酶就會失活，因而，布洛克和弗里茲假設，水生嗜熱菌帶有的酶都有高于其他生物酶的溫度范疇，所以它才能耐住高溫 。
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顯微鏡下的水生嗜熱菌 | Wikimedia Commons
事實也正是這樣 。1970年，布洛克和弗里茲在細菌學雜志上發表了他們對水生嗜熱菌的醛縮酶的研究成果——這種酶竟然在95度活性最高，也就意味著它平常生活的70度高溫也只是勉勉強強 。
他們的發現逐漸引起了科學界的興趣 。隨后，DNA連接酶、轉錄酶、NADH氧化酶等等生物體內比較重要的酶也從水生嗜熱菌里被提取了出來 。在其它酶都會支離破碎的高溫條件下，這些酶大放異彩，首次為科學家展示了很多反應的其他可能性 。
開啟PCR時代
1976年，中國臺灣科學家錢嘉韻教授的團隊分離出一種“最適溫度在七十多度，九十五度仍然不失活”的DNA聚合酶 。從水生嗜熱菌的學名Thermus aquaticus中取出首字母，它被簡稱為Taq DNA聚合酶 。
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Taq聚合酶的結構 | Wikimedia Commons
然而，短暫的興奮后，卻是無盡的空虛；在解答了“為什么”之后，那個年代人們的想象力限制了他們問出下一個問題：“我們能用它嗎？”——接下來是十幾年的沉寂，直到1988年，水生嗜熱菌等待的轉機才終于到來 。
這一切離不開一個叫做凱利·穆利斯（Kary Mullis）的人 。今天他為人熟知的身份，是聚合酶鏈式反應（PCR）的發明者 。
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演講中的凱利·穆利斯 | Erik Charlton / Wikimedia Commons
當時，穆利斯是生物醫藥巨頭Cetus公司的一名研發人員，懂得“商機”的他知道這種復制擴增生物核酸的技術需要做到規?；⒆詣踊?、快捷化，才能體現出真正的價值 。而在這條道路上的阻礙恰巧就在于PCR的核心——聚合酶的選用上 。
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實驗室中常用到的PCR儀器 | Juan Carlos Mata / Wikimedia Commons
復習一下中學的知識：PCR的原理是用高溫將初始的樣本DNA雙鏈分開，再用聚合酶引導DNA復制，形成新鏈；重復幾十輪后，原來微末的DNA被成億萬計地擴增，從而可以被可視化地分析 。比如新冠病毒核酸檢測中，怎樣判斷陰性陽性呢？就是通過PCR擴增可能在鼻咽中存在的病毒核酸，達到一定數值即為陽性 。
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采集鼻拭子 | Raimond Spekking / Wikimedia Commons
初期的PCR使用大腸桿菌（Escherichia coli）的DNA聚合酶，這種酶雖然已經是人類的老朋友了，但無奈它在最開始的高溫解鏈的環節就會失活，導致加入的大腸桿菌聚合酶只能用一輪，而后面的幾十輪中的每一輪都需要手動加入 。想象一下今天，如果還只能使用這種酶的話，核酸檢測耗費的人力、財力和時間恐怕都會成倍增長 。
穆利斯曾經說過：“我發明PCR，并不是我真的創造了什么新的東西，而是只有我把那些已經存在的東西正確地組合運用起來了 ?！闭撬贑etus的團隊重新“挖掘”出了已知非常耐熱的Taq聚合酶的研究，也正像是有如神助，這種酶的耐熱性、反應活性和準確性等等性質完全符合他們當時對PCR聚合酶的所有期待——它簡直就像是為PCR而生的 。