當(dāng)PM2.5對(duì)酵母菌發(fā)生了某些損傷，相對(duì)應(yīng)的綠色熒光蛋白就會(huì)表達(dá)并發(fā)光，這樣就好像“實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(jī)理。

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

研究人員認(rèn)為，這種方法針對(duì)PM2.5等顆粒物對(duì)人體健康效應(yīng)機(jī)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(duì)人體的可能損傷情況，有助于發(fā)現(xiàn)目前研究方法檢測(cè)不到或被忽略的健康效應(yīng)及響應(yīng)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(xì)胞與酵母菌細(xì)胞一樣有自噬現(xiàn)象，基本機(jī)理等也類似。并且具有相似的反應(yīng)，通過PM2.5對(duì)酵母菌基因的損害可推斷出對(duì)人的基因的相關(guān)損傷。

當(dāng)前，對(duì)大氣顆粒物毒性研究，大多采用細(xì)胞、老鼠等動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，或人體觀測(cè)。但動(dòng)物暴露實(shí)驗(yàn)必須在高濃度劑量中進(jìn)行，偏離實(shí)際環(huán)境暴露劑量；而且靈敏度較低，響應(yīng)時(shí)間較長，需要幾小時(shí)甚至幾天；具有滯后性，觀測(cè)到損傷時(shí)，危害往往已經(jīng)顯現(xiàn)。

為何想到要用酵母菌來對(duì)PM2.5毒性來監(jiān)測(cè)？北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)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(yīng)，PM2.5對(duì)酵母菌基因的損害可推斷出對(duì)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(xì)胞與酵母菌細(xì)胞一樣有自噬現(xiàn)象，基本機(jī)理等也類似。正因?yàn)樵诩?xì)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(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。自噬作用是指細(xì)胞面對(duì)生存壓力時(shí)，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(xì)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(gè)基因。其基因序列在1996年已全部測(cè)序完成，也是第一個(gè)完成基因測(cè)序的真核生物。它被廣泛應(yīng)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(gè)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(cè)單細(xì)胞熒光，從而得以對(duì)PM2.5毒性的實(shí)時(shí)在線顯示。”要茂盛說，課題組前期對(duì)酵母菌的上百種基因蛋白進(jìn)行了高通量篩查，發(fā)現(xiàn)了氧化損傷蛋白(HSP60)、DNA修復(fù)蛋白(SSA1)等對(duì)空氣中的PM2.5響應(yīng)比較靈敏，“例如，我們?cè)趩蝹€(gè)活體酵母菌上發(fā)現(xiàn)DNA修復(fù)發(fā)生在氧化損傷后的大約20分鐘，反應(yīng)相當(dāng)靈敏”。

綠色熒光蛋白實(shí)時(shí)顯現(xiàn)PM2.5損害

當(dāng)PM2.5對(duì)酵母菌發(fā)生了某些損傷，相對(duì)應(yīng)的GFP蛋白就會(huì)表達(dá)并發(fā)光，然后被酵母菌蛋白熒光自動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)“捕捉”到，這樣就好像“實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到不同地區(qū)每輛車的行駛擁擠狀況”。

想實(shí)現(xiàn)對(duì)PM2.5毒性等實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，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(biāo)記的基因得到及時(shí)表達(dá)，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(lán)色波長范圍的光線激發(fā)下，會(huì)發(fā)出綠色螢光。日本科學(xué)家下村修、美國科學(xué)家馬丁·查爾菲和錢永健等就是因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)、改造了綠色熒光蛋白獲得了2008年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

要茂盛說，課題組利用GFP標(biāo)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(gè)“臥底”，當(dāng)PM2.5對(duì)酵母菌發(fā)生了某些損傷，相對(duì)應(yīng)的GFP蛋白就會(huì)表達(dá)并發(fā)光，然后被酵母菌蛋白熒光自動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)“捕捉”到，這樣就好像“實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(jī)理。檢測(cè)數(shù)據(jù)還可遠(yuǎn)距離信息傳輸，“即使我在國外開會(huì)，也能及時(shí)收到放在北京的設(shè)備發(fā)出的檢測(cè)信息”。

要茂盛說，自動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)使用的是生物芯片，即把多個(gè)不同GFP標(biāo)記的活體酵母菌放在一個(gè)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(dòng)。“當(dāng)人體吸入PM2.5，人體組織細(xì)胞與其接觸發(fā)生交互反應(yīng)，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(duì)酵母菌的損害可推斷出對(duì)人體的相關(guān)損害。不過，對(duì)酵母菌損害的響應(yīng)時(shí)間快慢取決于PM2.5的濃度。”

揭示PM2.5對(duì)人具體致病毒性機(jī)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(duì)PM2.5毒性的響應(yīng)就會(huì)更靈敏、更迅速、更有針對(duì)性，可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)檢測(cè)。

要茂盛認(rèn)為，PM2.5毒性的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的成果，與北京大學(xué)物理學(xué)院副教授羅春雄領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)努力是分不開的，而且是“站在巨人的肩膀”上，建立在兩個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)成果基礎(chǔ)之上研發(fā)的，具有非常強(qiáng)的學(xué)科交叉性。

目前，此項(xiàng)研究成果已申請(qǐng)國家發(fā)明專利。課題組正在利用該系統(tǒng)對(duì)不同國家、不同地區(qū)大氣中的PM2.5毒性進(jìn)行檢測(cè)和研究，同時(shí)也在篩查更多的有響應(yīng)的酵母菌蛋白并研究其靈敏度、響應(yīng)毒性精準(zhǔn)度的標(biāo)定，從而進(jìn)一步全方位揭示PM2.5對(duì)人體的具體致病機(jī)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(duì)PM2.5毒性的響應(yīng)就會(huì)更靈敏、更迅速、更有針對(duì)性，可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)檢測(cè)。”要茂盛說。

要茂盛表示，對(duì)PM2.5毒性的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是建立在他的“實(shí)時(shí)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(duì)空氣微生物進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，那么就無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)空氣中潛在的微生物危害，從而可能造成非常嚴(yán)重的后果，如疫情爆發(fā)、生物恐怖襲擊等。

“實(shí)時(shí)在線甄別空氣中的致病微生物系統(tǒng)”在應(yīng)對(duì)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(yù)警、國防軍事防恐等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)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(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠在我國應(yīng)對(duì)霧霾危害、保護(hù)公眾健康方面發(fā)揮積極的作用。