研究极端环境中的生物
研究人员正在土库曼斯坦这个被称为“地狱之门”的火焰气坑的土壤样本中寻找微生物。
研究人员发明了研究在世界最恶劣的环境中茁壮成长的微生物的方法。
从有毒性的炎热温泉到高海拔的沙漠，微生物在地球上一些最极端的环境中顽强的生存着。这些“嗜极生物”（extremophiles）包括能够在接近沸腾的高温或接近冰点的寒冷、高压或高盐环境中生存，以及在富含酸、碱、金属或放射性环境中生存的生物。
强制这些生物体在实验室中生存会带来许多挑战。然而，在过去十年中，关于嗜极生物的论文数量增加了一倍。一些科学家被这些生物的新奇特性所吸引，寻找那些未被描述的生物，或是探寻可能蕴藏着对工业进程有用的酶，或是寻找可拯救生命的抗生素。另一些研究者只是发现，对于他们的科学问题而言，最适合的生物体恰好有极端的偏好。
这种情况迫使研究嗜极生物的研究人员发明新的实验室方法来培养它们。为了识别、培养、基因编辑和观察嗜极生物，研究人员经常会调整在培养普通生物中使用的方法。一些技术可以很容易地转移，比如说，从一个嗜热生物转移到其它嗜热生物身上，但是其它技术则必须针对每个新的生物体进行调整。
马里兰州巴尔的摩市约翰霍普金斯大学（Johns Hopkins University）的微生物学家Jocelyne DiRuggiero表示，每个嗜热生物都会有其自身的一系列挑战。每当想研究什么的时候，都必须思考如何做才能使这些生物体适应？
在极端环境中生长
2014年，位于伯灵顿的佛蒙特大学（University of Vermont）的微生物学家Scott Tighe召集国际合作者，开展了一项称为“极端微生物组计划”（Extreme Microbiome Project，XMP）的持续性倡议。研究人员希望找到可能提示极端微生物如何生存的基因，以及这些基因是否可能制造出可作为抗生素的化合物。
在寻找新的微生物进行分析的过程中，科学家来到了拥有极端环境的场所，包括埃塞俄比亚达纳基尔洼地有毒的炎热温泉，温泉中含有盐类、酸类以及重金属，以及土库曼斯坦的一个燃烧的气体坑。
但是他们主要的难题又回到了实验室，Tighe表示，实际上研究这些生物有巨大的困难。足以经受极端条件的顽强微生物抵抗科学家试图将其分解，并恢复其DNA的企图。因此，Tighe和XMP团队开发了6种酶的混合物，现在以MetaPolyzyme的名字将其商业化，这些酶通过分解它们可能遇到的任何细胞表面，并添加清洁剂和有机溶剂以在磁珠上收集核酸。Tighe表示，这是一种相当奇特的DNA提取技术，因此，研究人员正在通过一个装满样品的冰柜来开展相关的研究工作。
在实验室里研究活的嗜盐生物也困难重重。例如，DiRuggiero的小组研究的是智利高海拔的阿塔卡马沙漠的岩石上凿出的嗜盐生物。她表示，这样的一些生物体很容易培养，只需添加盐。DiRuggiero也研究厌氧性嗜热菌（anaerobic hyperthermophiles），这些细菌在高热和缺氧的环境下生长。她使用耐热的、美国宇航局（NASA）制造的培养罐，在设置为95 ℃的培养箱中培养它们。如此炙热，团队开玩笑地称它为“披萨炉”。塑料培养皿中的标准琼脂会融化，所以科学家转而使用填充有一种名为Gelrite的胶质胶衍生物的玻璃培养皿，这种培养皿可以抵御高温。
基因编辑
编辑嗜极生物的基因可能需要额外的努力。在实验室最受欢迎的基因编辑工具和技术例如大肠杆菌（包括用于转移遗传物质的质粒、将该遗传物质插入新微生物的方法以及筛选成功整合新基因的微生物的化合物）往往不适合高盐度、炙烤温度和其它极端环境。
科学家通常在大肠杆菌中创建他们所需的基因，分离出相关质粒，然后将它们转移到嗜极生物中。科罗拉多大学博尔德分校（University of Colorado Boulder）和位于科罗拉多州戈尔登的国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory）的合成生物学家Carrie Eckert表示，一些嗜极生物可以从周围的介质中摄取核酸。但如果这种方式不起作用，她建议采用电穿孔法，即用电脉冲在细胞膜上打孔。
Eckert表示，另一个小窍门是通过测序来确定嗜极生物基因组上的甲基化模式，这一点非常重要，因为微生物往往会消灭具有“错误”模式的核酸，以保护自己免受入侵。科学家正在研究变更大肠杆菌的甲基化系统，使新的DNA与宿主的DNA相匹配。
一旦大肠杆菌提供了正确的甲基化DNA，科学家就必须挑出那些摄取了这些DNA的嗜极生物。为了调查他们感兴趣的基因，微生物学家经常将大肠杆菌插入到含有抗生素抗性基因的质粒中，在含有该抗生素的培养基上生长的菌落已经摄取了这些基因。但许多抗生素在极端条件下无法发挥作用。另一种替代工具是生物体在没有特定营养物质的情况下生长（或不生长）的能力，这种生物体往往对异常条件不那么敏感。
研究人员还对嗜极生物的基因编辑进行了调整。Eckert的团队开发了一种两步策略来编辑嗜热梭菌（Clostridium thermocellum）的基因组。他们从另一种嗜热菌借用基因交换系统，将所需的序列引入丁酸杆菌（C.thermocellum）中。同时，他们改变了附近通常允许CRISPR-Cas系统识别和切割DNA的位点，使其对CRISPR不可见。然后，他们应用CRISPR-Cas剪切所有未被修改的基因，消除了未经编辑的微生物。
Eckert表示，该策略的效率高达94 %，而且应该对其它嗜热菌也有效。必要的微生物菌株可从新英格兰生物实验室（New England Biolabs）和美国模式菌种收集中心（American Type Culture Collection，ATCC）获得，Eckert正在努力将质粒添加到Addgene存储库（Addgene repositor）中。
镜头下生存
显微镜也正在改造用于研究嗜极生物的生物学。
Buzz Baum是英国剑桥医学研究委员会分子生物学实验室（Medical Research Council Laboratory for Molecular Biology）的细胞生物学家，他对嗜热和嗜酸的酸热硫化叶菌（Sulfolobus acidocaldarius）的细胞分裂感兴趣。Baum表示，含有生物体的培养基在显微镜载物台上像一杯茶一样迅速冷却，然后微生物就进入了悬浮状态。多年来，他们的实验多次失败。
研究小组决定借用聚合酶链反应机的技术，从上到下对培养基进行加热。他们招募了一位实验室成员的父亲和兄弟，他们都是航空航天工程师，用飞机铝材制造了一个反应室。研究人员已经公布了这个“硫镜”（Sulfoscope）的示意图，Baum表示，任何双加热室应该都可以，该系统允许该团队研究维持对称细胞分裂的蛋白质。
在显微镜下研究嗜盐生物（Halophiles）也是很棘手的。它们缺乏在细菌中发现的坚硬的细胞壁，并通过保持与环境相同的渗透压来生存，使它们具有柔软的气球的全部韧性。这意味着当它们被夹在显微镜玻片和盖玻片之间时，很容易变形，从而难以研究细胞的大小和形状。
Ye-Jin Eun在马萨诸塞州剑桥的哈佛大学（Harvard University）做博士后期间，在研究如何控制嗜盐的古菌盐纳菌（Halobacterium salinarum）的大小时，遇到了这个问题。在液体培养物中形状像棒状的生物体，当她用柔软的琼脂垫将细胞固定在显微镜下进行观察时，这些生物体就会变形为奇异的多边形或无定形的小球。Eun表示，他们没有想到这种细菌会被如此挤压，他现在是新泽西州Titusville的Janssen的首席数据科学家。来自马萨诸塞州伯灵顿的Millipore Sigma公司的一种名为CellASIC ONIX的微流控设备使用柔软的聚二甲基硅氧烷钉住微生物，但事实证明这种材料对Eun的细胞是有毒的。
Eun终于成功地制造了小小的琼脂糖室，将细胞限制起来。最后，她终于可以看到，古生菌保持其大小的方式和细菌一样，每个新生细胞在再次分裂之前，都会给它的杆增加一个一致的长度。
标记目标蛋白
显微镜学家还必须找到在极端条件下标记感兴趣的蛋白质的方法。
例如，一个国际团队在死海中发现的一种叫做火山嗜盐杆菌（Haloferax volcanii）的嗜盐生物面临着挑战，因为它能制造一种天然荧光的色素。该小组在7月的一篇预印本中报告，这使得使用荧光蛋白标签追踪单分子变得很棘手。因此，首先，该团队去掉了一个参与合成该色素的基因，创造了无色但在其它方面正常的微生物。
然后，研究人员解决了火山嗜盐杆菌的遗传环境。像许多嗜盐生物一样，火山嗜盐杆菌的DNA中含有相对较高比例的鸟嘌呤和胞嘧啶碱基，因此它的密码子（编码氨基酸的三联序列）也倾向于使用这些碱基。此外，使用相同密码子的基因将以更高的水平表达。因此，该团队优化了在非极端生物体中荧光蛋白所使用的密码子，以符合嗜极生物的偏好。
共同作者Iain Duggin表示，荧光标签中的大多数都有效，Duggin是澳大利亚悉尼科技大学（University of Technology Sydney）的分子微生物学家。深红色的蛋白质mCherry和绿色到红色的光转换标签Dendra2的荧光标签对于追踪单分子特别有用。Duggin表示，他们对如何将其应用于细胞分裂、细胞形状以及细胞骨架的研究感到非常兴奋。
事实上，只要有毅力，对嗜极生物感兴趣的科学家都可以让看似不可能的实验成功。Duggin表示，最主要的是，只要试一试。如果意愿强烈，研究嗜极生物往往不像最初想象的那样是个障碍。
原文检索：
Amber Dance. (2020) Studying lift at the extremes. Nature, 587: 165-166.
郭庭玥/编译
