化学与生物学教授 Catherine Drennan 乐于热情洋溢地谈论微生物复杂的化学特性。“我觉得它们优雅而美丽，”她说。当然，她也看到了它们的实际应用。“我喜欢这样一个事实：这些微生物可用于在难以到达的受污染地点进行生物修复，”她说。“通常，清理这些脆弱环境会破坏其中生物的平衡，而微生物提供了一种利用化学手段进行清理的自然方式。”
Drennan 与化学专业研究生 Michael Funk 是一个研究团队的成员，该团队正在研究微生物在为生长和生存而代谢碳氢化合物的同时将其分解的细微机制。由于碳氢化合物是原油中天然存在的（且是主要的）分子成分，只要微生物的碳氢化合物代谢过程进行顺利，微生物就可以协助石油泄漏及其他污染事件之后的清理工作。该过程的第一步要求微生物以化学方式作用于碳氢化合物，生成活性更强的分子，但有些碳氢化合物很难加以控制。
为了进一步了解如何规避碳氢化合物的惰性，Drennan、Funk 及其他研究人员探究了一种微生物——反硝化细菌 Thauera aromatica——激活并分解碳氢化合物甲苯所依托的结构基础。
这些发现的细节（涉及此前未知的酶结构的绘制）已于今年夏天以论文形式发布，刊载于 The Journal of Biological Chemistry。
“当你思考一个生物体如何分解碳源并利用其为自身产生能量时，”Drennan 说，“你会以为它会直接拿来将其拆开，但在这里，它先生成了一个更大的分子。这是因为它想要纳入自身代谢并从中获取能量的那种物质反应性极低，因此它必须想办法加以控制，使其变得有用。”
制胜组合
使分解过程得以实现的“制胜组合”，是在甲苯存在的条件下，酶苄基琥珀酸合成酶（天然存在于该微生物内）与底物分子富马酸（同样存在于该微生物内）的配对。苄基琥珀酸合成酶起催化剂作用，促进甲苯与富马酸之间发生反应，生成苄基琥珀酸。正如 Drennan 上文所述，甲苯转化为苄基琥珀酸使其反应性更强，代谢过程的第一步由此才得以实现。
Funk 回忆了确定该酶如何促成这一反应的多步骤过程：“几年前，我们的研究揭示了未结合任何分子的苄基琥珀酸合成酶结构，这是第一步，目的是看清活性位点的整体结构。但我们仍不清楚该酶如何与底物结合。”
Funk 与 Drennan 成功使底物富马酸与该酶结合：富马酸含有两个羧基，与活性位点完美契合。两个部分就位后，他们对该酶的不同形式进行试验，直至能够使甲苯与之结合。
Funk 表示，像这样的发现——尽管甲苯等碳氢化合物具有非极性（因此通常不易结合）的性质，这些发现揭示了它们如何能够被分解——是开展更有组织的生物修复（利用生物体进行废弃物管理）工作的关键起点。不过，他很快指出，我们距离任何形式的灵丹妙药仍相去甚远。
“我没有预料到的一点是，分子上的活性位点竟如此精确，”Funk 说，“这种酶[苄基琥珀酸合成酶]利用甲苯，其周围的一切都紧紧围绕该分子排列。所以它并不是什么都能拿来用——它对那一特定分子具有很强的特异性。”
生物修复及更广泛的应用
Funk 表示，这对生物修复的实践有更广泛的意义：“如果要开展生物修复，就需要多种能够降解各类不同底物的酶。”
微生物以碳氢化合物为生，这一现象并不只出现在实验室中。“一些微生物会在炼油厂附近大量繁殖，以至于石油公司对此颇为不满，因为它们堵塞了公司的所有管道，”Drennan 说。“这实际上为微生物生物修复可能奏效的观点提供了佐证，因为这说明微生物在这样的环境中能够生长得很好，并把问题处理妥当。”
这也说明，Drennan 与 Funk 在论文中揭示的微生物结构方面的发现可能有不止一种用途。“[管道侵蚀]一直是个问题，因为生物会将硫酸盐还原为硫化氢，”Funk 说，“这是一种非常恶劣的管道腐蚀方式。”
而炼油厂中的管道侵蚀只能意味着一件事：泄漏的可能性增加了。
考虑到这一问题，Drennan 与 Funk 承认一个具有讽刺意味的情况：他们的结构性发现可能更早被用于抑制微生物，而非促进其生长。“我希望这项工作不只是得出一种能杀死这些生物、使其不再腐蚀管道的抑制剂，”Drennan 说，“但如果它能防止泄漏，那就很好。你希望适量的微生物清理环境，而不是多到反而污染环境。”
无论他们最新发现的近期用途为何，Drennan 与 Funk 对微生物的热爱远未结束。尤其是微生物的 DNA 测序，呈现出一个令人兴奋的前沿领域。“如果你拥有这些 DNA 序列，”Funk 说，“就可以描绘出在特定泄漏情境中微生物能够降解哪些物质的概况，以及哪些物质因缺乏降解途径而得以逃逸。序列信息能告诉你很多——它能让你更全面地了解整个生物群落。”
本文与 MIT News合作刊发。刊发本文并不代表世界经济论坛认同其中观点。
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作者：Francesca McCaffrey 为 MIT News 撰稿。
图片：工人在清理一条河流。REUTERS/David Mercado
