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檢測平臺,首次以熒光標(biāo)記的酵母菌實現(xiàn)了對PM2.5毒性指標(biāo)的多方面實時在線監(jiān)測。
研究人員認(rèn)為,這種方法針對PM2.5等顆粒物對人體健康效應(yīng)機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對人體的可能損傷情況,有助于發(fā)現(xiàn)目前研究方法檢測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,基本機理等也類似。并且具有相似的反應(yīng),通過PM2.5對酵母菌基因的損害可推斷出對人的基因的相關(guān)損傷。
當(dāng)前,對大氣顆粒物毒性研究,大多采用細(xì)胞、老鼠等動物實驗,或人體觀測。但動物暴露實驗必須在高濃度劑量中進(jìn)行,偏離實際環(huán)境暴露劑量;而且靈敏度較低,響應(yīng)時間較長,需要幾小時甚至幾天;具有滯后性,觀測到損傷時,危害往往已經(jīng)顯現(xiàn)。
為何想到要用酵母菌來對PM2.5毒性來監(jiān)測?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對酵母菌基因的損害可推斷出對人的基因的相關(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,基本機理等也類似。正因為在細(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。自噬作用是指細(xì)胞面對生存壓力時,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多個基因。其基因序列在1996年已全部測序完成,也是第一個完成基因測序的真核生物。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)測單細(xì)胞熒光,從而得以對PM2.5毒性的實時在線顯示。”要茂盛說,課題組前期對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)等對空氣中的PM2.5響應(yīng)比較靈敏,“例如,我們在單個活體酵母菌上發(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”。
綠色熒光蛋白實時顯現(xiàn)PM2.5損害
當(dāng)PM2.5對酵母菌發(fā)生了某些損傷,相對應(yīng)的GFP蛋白就會表達(dá)并發(fā)光,然后被酵母菌蛋白熒光自動檢測平臺“捕捉”到,這樣就好像“實時監(jiān)測到不同地區(qū)每輛車的行駛擁擠狀況”。
想實現(xiàn)對PM2.5毒性等實時在線監(jiān)測,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為發(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。
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“臥底”,當(dāng)PM2.5對酵母菌發(fā)生了某些損傷,相對應(yīng)的GFP蛋白就會表達(dá)并發(fā)光,然后被酵母菌蛋白熒光自動檢測平臺“捕捉”到,這樣就好像“實時監(jiān)測到不同地區(qū)每輛車的行駛擁擠狀況”,從而可以更好地了解PM2.5的損傷機理。檢測數(shù)據(jù)還可遠(yuǎn)距離信息傳輸,“即使我在國外開會,也能及時收到放在北京的設(shè)備發(fā)出的檢測信息”。
要茂盛說,自動檢測平臺使用的是生物芯片,即把多個不同GFP標(biāo)記的活體酵母菌放在一個芯片的不同地方,酵母菌在芯片里的培養(yǎng)液中只能小范圍移動。“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對酵母菌的損害可推斷出對人體的相關(guān)損害。不過,對酵母菌損害的響應(yīng)時間快慢取決于PM2.5的濃度。”
揭示PM2.5對人具體致病毒性機制
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PM2.5毒性的響應(yīng)就會更靈敏、更迅速、更有針對性,可以實現(xiàn)精準(zhǔn)檢測。
要茂盛認(rèn)為,PM2.5毒性的實時在線監(jiān)測系統(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)隊努力是分不開的,而且是“站在巨人的肩膀”上,建立在兩個諾貝爾獎的科學(xué)成果基礎(chǔ)之上研發(fā)的,具有非常強的學(xué)科交叉性。
目前,此項研究成果已申請國家發(fā)明專利。課題組正在利用該系統(tǒng)對不同國家、不同地區(qū)大氣中的PM2.5毒性進(jìn)行檢測和研究,同時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對人體的具體致病機制。
“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PM2.5毒性的響應(yīng)就會更靈敏、更迅速、更有針對性,可以實現(xiàn)精準(zhǔn)檢測。”要茂盛說。
要茂盛表示,對PM2.5毒性的實時在線監(jiān)測系統(tǒng)是建立在他的“實時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。如果不能對空氣微生物進(jìn)行實時監(jiān)測,那么就無法及時發(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。
“實時在線甄別空氣中的致病微生物系統(tǒng)”在應(yīng)對突發(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毒性的實時在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠在我國應(yīng)對霧霾危害、保護(hù)公眾健康方面發(fā)揮積極的作用。