一位科学家和一种细菌，让实验室“撒盐”如此快乐

　　穆利斯是极少数的仅因为发明了一项技术而获得诺贝尔奖的科学家之一。他发明的 聚合酶链式反应 （Polymerase Chain Reaction, 下简称 PCR ）能在脱离生物体的人工条件下，将极少量的DNA扩增上亿倍，帮助人们更容易地检测到某一DNA片段的存在，从而进行后续的研究。这项技术的发明，彻底改变了现代分子生物学的发展进程。

　　卡里·穆利斯（Kary Mullis）和PCR技术。图片：gairdner.org；ib.bioninja.com

　　从繁到简

　　在1983年到1985年，诞生之初的PCR技术实际上一点都不简单，也不优雅，而是一项非常复杂繁琐的工作。

　　当时由于生物学发展的限制，能在实验室里用于进行DNA扩增的酶只有 大肠杆菌的Ⅰ型DNA聚合酶 以及它的一些衍生酶。这种酶的最适工作温度在 37℃ ，也就是大肠杆菌的最适生长温度。

　　扫描电镜下，放大约10000倍后大肠杆菌（颜色为后期人工绘制，并非真实）。图片：Janice Haney Carr / flickr

　　DNA扩增，实际上是DNA的自我复制，但 双螺旋状态下的DNA是无法完成复制的 ，因此我们需要将这个双螺旋打开。 打开的方法很简单——加热 ，确切地说是在95℃的条件下使双链DNA解聚。

　　然而问题在于，这个 加热的过程会使DNA聚合酶完全失活 ——酶如果失去活性，自然还是无法完成复制——所以需要 适时补充酶 ，使反应继续下去。

　　大肠杆菌的I型DNA聚合酶的Klenow片段与DNA底物的复合体晶体结构，其中蓝色为聚合酶的蛋白部分，红色为双链DNA。图片：Nekout

　　彼时做一次PCR可是真不容易：每进行一轮反应，就需要人工加一次酶，然后放在37℃的水浴锅里，定个时；等时间到了取出来，转移到95℃的水浴锅里，再定个时；取出来降温一会儿，再补加一些酶、缓冲液和复制必需的引物等等，然后再来一遍……嗯， 如此循环，总共大概需要重复30～40遍吧。

　　当时没有手机可以刷，实验间隙的等待算不上愉快（终于可以好好看文献了呢）。想想那时不少研究生究竟是靠什么样的精神和意志力来完成PCR，从而获得学位毕业的呢。

　　即便每循环补加试剂如撒盐，做个30、40遍也要烦死了。图片：Nekout

　　人们意识到，解救科研民工于水深火热，当务之急是 需要一款能够耐受高温的DNA聚合酶 。这种神奇的酶该去哪里找呢？

　　当然是去热的地方找咯。

　　另一种细菌的胜利

　　20世纪70年代，华裔女科学家钱嘉韵（Alice Chien）在辛辛那提大学生物系跟随导师约翰·特雷拉（John Trela）专注研究一些从美国黄石国家公园的 热泉 中分离得到的细菌。

　　美国黄石国家公园的热泉。图片：Jim Peaco, National Park Service

　　他们从一种能在70℃高温下仍可正常繁殖的 水生栖热菌 （Thermus aquaticus）中，分离纯化了一种能够耐受极高温度的DNA聚合酶—— Taq DNA聚合酶 。Taq取自细菌属名 Thermus 首字母T以及种加词 aquaticus 的前两个字母aq。

　　Taq酶工作的最适温度在72℃左右，并且需要二价镁离子作为辅助因子。最重要的是， 即便将它加热到95℃并保持数小时，它都能保持一定的活性。 把它用于PCR，岂不美哉？

　　左：水生栖热菌的扫描电镜照片（颜色为后期人工绘制，并非真实）；右：Taq DNA聚合酶的晶体结构。图片：Diane Montpetit；Nekout

　　1986年，穆利斯的同事兰道·赛奇（Randall Saiki）将Taq DNA聚合酶成功应用在了PCR技术中，终于 解决了每一轮都需要补加试剂的麻烦 ，并且也让整个反应变得更加 简单、易行和稳定 。与此同时，从大肠杆菌I型DNA聚合酶到Taq DNA聚合酶的转变，对PCR效果的影响也是巨大的。1988年，穆利斯团队将两种酶进行PCR的差别发表在了科学（Science）杂志上：使用Taq DNA聚合酶的PCR扩增产物， 单一、清晰且量大 ，而使用大肠杆菌I型DNA聚合酶则杂质众多。

　　生物狗都想要A、B图中右侧那样的结果↓

　　1988年穆利斯团队发表在科学（Science）杂志上的文章中比较了大肠杆菌I型DNA聚合酶与Taq DNA聚合酶在PCR实验中的效果。图片：R.K. Saiki，et al. / Science（1988）

　　是飞跃，更是所有人的福利

　　尽管解决了补加试剂的麻烦，操作者仍然需要 定时将反应管在不同温度的水浴锅中来回切换 。当时还衍生出了一些专门用来做PCR的水浴锅，人称PCR bath，其实就是将三个独立的水浴锅并排放一起。

　　PCR bath，三个独立水浴锅连在一起，三个温度供君选择。图片：instructables.com

　　为了解放生产力，穆利斯所在的PE-Cetus公司在20世纪80年代末率先制造出了 自动化的PCR仪 ，让整个PCR反应过程彻底告别人工操作。

　　在之后的30余年里，PCR技术飞速发展。毫不夸张地讲， 没有PCR技术，就不会有现代生物技术为我们带来的各种福利 ，我们将无法快速鉴定出流感的病原体类型，无法快速诊断出致病的基因突变，无法实现准确的亲子鉴定，更不可能有现代基因工程来帮助我们制造药物、精细化学品等等。

　　水生栖热菌与人类的交集并不仅仅止步于PCR。 跨入21世纪后，随着合成生物学的发展，对大规模DNA组装的需求也日益增加。2009年，丹尼尔·吉布森利用来自水生栖热菌的Taq连接酶配合另外两种耐热的聚合酶和外切酶，设计出了吉布森组装法（Gibson Assembly），能在短短30分钟里组装多个超长DNA片段。这为日后人工合成酵母染色体、病毒基因组等研究提供了可靠的基础。

　　现代自动化PCR仪，告别用水浴加热，使用半导体控温技术。图片：26Isabella / wikimedia

　　说到这里，你可能仍觉得这些离你十分遥远。但实际上，水生栖热菌并不仅仅生活在热泉中，有研究发现，它们还大有可能存在于你的茶杯中里、你家的热水器里。

　　事实上，我们生活在一个遍布着细菌的环境中，无论人体内还是体表，到处都遍布着这些微小的生灵。对人来说，它们中的大多数默默无名，为我们的健康做着无私的奉献，抑或给我们的生活掀起一些波澜，绝大多数只是生活在那儿。它们中只有少数被发现、命名，并为我们的科学发展发光发热——当然，我们也要感谢那些发现它们的人。

　　本文是物种日历特约稿件，来自物种日历作者@Nekout。