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大多數微生物研究人員在培養皿中培養微生物，以研究它們的生長方式以及它們如何應對破壞性條件。但是路易斯安那州立大學生物科學系的研究人員正在做一件幾乎聞所未聞的事情：在冰凍條件下研究微生物，以瞭解生物體如何在南極深層永久凍土中，甚至可能在火星冰層下存活數十萬年。
“我可以帶您沿著走廊走到我們擁有的公共休息室，那裡擺滿了冰櫃，” 布倫特·克里斯特納說道，他是路易斯安那州立大學生物科學系的副教授，也是一位傑出的南極微生物探險家，他興奮地俯身在他的辦公桌上，向我展示了包裹在冰中的細胞的顯微鏡影像。“在那些冰櫃裡有細胞和組織。我們把它們放在那裡，因為這實際上是一種儲存它們的方法。”
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克里斯特納的實驗室將數千種不同的微生物菌株儲存在零下 80 攝氏度的環境中。他解釋說，如果將這些微生物從冰櫃中取出並放入營養豐富的培養基中，它們實際上可以非常快樂地復活。“但是，如果那些冰櫃可以執行一百萬年呢？”克里斯特納問道。“我們實際上預計每年會有一小部分微生物死亡，因為它們是由分子組成的，即使冷凍，也會發生衰變。”
克里斯特納和他在路易斯安那州立大學的同事，博士後研究員馬庫斯·迪澤和生物學瑪麗·露·阿普爾懷特教授約翰·巴蒂斯塔，最近有一篇關於冷凍微生物 DNA 修復機制的論文被應用與環境微生物學雜誌接受。為了瞭解微生物如何在冰凍條件下生存，克里斯特納和同事們專注於 DNA，即遺傳分子，它編碼用於從人類到微生物的生物體發育和功能的遺傳指令。微生物 DNA 通常長達數百萬個鹼基對或單位，通常排列成單個環狀結構，編碼數千個基因。
“我們知道會發生自發反應，導致該分子受損，”克里斯特納說。最糟糕的損傷型別被稱為雙鏈斷裂，即微生物的單個環狀“染色體”斷裂成兩個單獨的片段，需要將它們重新組合在一起才能使染色體再次發揮作用。
“這種損傷是我們知道當細胞在冰凍狀態下停留數千年時必須發生的，”他說。“想象一下，微生物在冰中停留很長時間，它們的 DNA 被剪下成碎片。實際上，在某個時間點，微生物的 DNA 變得如此受損，以至於它基本上不再是有用的資訊儲存分子了。所以現在你不再擁有微生物，你基本上擁有了一具屍體。”
對於冰中微生物的壽命來說，情況似乎很糟糕。但奇怪的是，研究人員已經能夠復活在冰中埋藏了數十萬年的微生物。事實上，克里斯特納成功地從中國西部青藏高原古裡雅冰蓋底部附近——75 萬年前的冰，遠早於人類時代——復活了幾種不同型別的細菌。
“不久前，覆蓋地球大部分地區的冰凍環境被認為是貧瘠的生命荒漠，”瓦尼亞·米特娃，賓州州立大學教授，《冰雪和冰川百科全書》中關於與冰川相關的微生物的章節的作者說。“在過去的二十年中，這種觀點發生了變化，現在我們談論冰凍圈是一個主要的地球可居住生態系統。”
但是，如何才能從 75 萬年前的冰中復活微生物呢？古代冰川冰和永久凍土中微生物的生存傳統上歸因於它們在休眠、代謝惰性狀態下持續存在的能力。但即使是這種解釋也無法解釋背景電離輻射量，這些輻射幾乎肯定會對這些微生物的 DNA 造成損害，無論它們是否冷凍在冰川底部。
“為了生存這麼長時間，不同的研究例如指向休眠或‘慢動作新陳代謝’，但無論生理狀態如何，如果沒有活躍的 DNA 修復，生物體將積累 DNA 損傷，達到導致細胞死亡的程度，”迪澤說。
但是今天，對於冰中微生物奇特的壽命，有一種研究支援的替代解釋：“工人”酶，它們甚至在冰凍條件下也能修復 DNA 損傷。
“在您現在的細胞中，實際上有活躍的 DNA 修復酶，即使您沒有暴露於高水平的輻射，”克里斯特納說。他指的是來自我們周圍自然和人為來源的背景電離輻射水平，包括氡源、來自太空的宇宙輻射和來自地面的陸地輻射。儘管地球上的背景輻射水平在任何給定時間通常都很小，但您可以想象，即使來自這些微小的背景水平，在冰凍條件下生存數十萬年的微生物也會積累大量的損傷。
2007 年，在 60 萬年前的永久凍土樣本中發現完整的微生物 DNA 後，研究人員提出，活躍的 DNA 修復機制可能正在發揮作用。但與克里斯特納的團隊不同，他們缺乏關於微生物如何在如此不利的冰凍條件下修復其 DNA 的任何具體知識。“如果所討論的微生物不僅僅處於假死狀態，而是實際上具有活躍的新陳代謝，那麼一切都會改變，”克里斯特納說。“現在這聽起來在冰中真的很難想象，對吧？”
美國國家航空航天局有一個“追隨水跡”的口號，基於一般的想法，即哪裡有水，哪裡就有生命，細胞需要水才能生長和代謝。但克里斯特納說，重要的是要記住，即使在冰中，幾乎總是存在少量液態水。當我在他的辦公室裡時，他拉起電腦顯示器上的冰晶顯微鏡影像。冰晶結構看起來像一個不透明的拼圖遊戲，由大型六邊形碎片組成。但克里斯特納指出了冰拼圖碎片邊緣和點之間的清晰、狹窄的間隙。
“那是液態水，”他說。“這冰裡有水。”
更令人驚訝的是，克里斯特納展示了相同冰晶的影像，這些冰晶已經用綠色染料處理過，這種染料僅能染色活細胞。冰晶之間的間隙因微小的綠色微生物而變得明亮。
“這個冷凍樣本中的生物體實際上正在遷移到冰內的這些水環境中，”克里斯特納說。“我們實際上從我們所做的其他實驗中知道，這些微生物可以在冰凍條件下進行新陳代謝並實際產生新的 DNA。”研究表明，微生物即使在零下 40 oC 及以下的冰點以下溫度下也能繼續進行代謝活動。
克里斯特納的最新論文正在將這些結果提升到一個新的水平，表明冷凍微生物不僅可以在冰凍條件下產生新的 DNA，而且可以修復隨著時間推移而損壞的 DNA – 甚至包括那些難以處理的雙鏈斷裂。克里斯特納和同事們採集了冷凍（-15 oC）的 北極嗜冷桿菌樣本，這是一種最近發現的、從西伯利亞永久凍土中分離出來的適應寒冷的微生物模型生物，並將它們暴露於 DNA 損傷電離輻射劑量，該劑量相當於微生物在永久凍土中 225,000 年內會經歷的劑量。作為參考，這種輻射劑量是人類致死劑量的 45 倍。然後，研究人員讓微生物在冰凍條件下放置兩年，定期檢查微生物的 DNA。
正如對不耐輻射的細菌所預期的那樣，高劑量極大地破壞了北極嗜冷桿菌的單個環狀微生物染色體，由於分子中的雙鏈斷裂，將其轉化為較小碎片的漿液。令研究人員驚訝的是，在冰櫃中放置兩年後，微生物的 DNA 片段開始緩慢地重新組合成正確的順序。
“這不可能是隨機過程，”克里斯特納說。“如果染色體被切成一堆碎片，而細胞要去將它重新組合在一起，它不能隨意地重新組合在一起。染色體是有順序的，為了讓生物體存活，它必須以正確的順序重新組合。這告訴我們，細胞正在修復這種 DNA。”
根據資料，北極嗜冷桿菌似乎能夠在冰櫃中每年修復 7 到 10 個雙鏈斷裂。克里斯特納說，這些發現很重要，因為我們通常不認為冰凍溫度是複雜的生物過程可能發生的條件。
蒙大拿州立大學地球科學系副教授馬克·斯基德莫爾說：“結果表明，儘管冰晶中液態脈絡網路的溫度低至 -15 oC 且鹽度高，但某些生物體可以修復其 DNA，從而增強其在冰冷環境中長期生存的能力。”。這些結果支援了斯基德莫爾和克里斯特納之前的研究，即冰中的液態間隙是可行的微生物棲息地。
米特娃說：“這項研究提供了令人信服的實驗證據，證明在冰凍條件下，細胞可以成功修復輻射 DNA 損傷，從而延遲其致命效應並顯著延長細胞存活時間。”。“總的來說，這篇文筆流暢的論文肯定會對我們更好地理解地球上以及可能在其他地方的微生物壽命產生積極影響。”
雖然在克里斯特納的研究之前已經有證據表明微生物在冰凍條件下可能具有非常低的活動水平，但具體來說，它們可能正在做什麼來提高它們在這些條件下的生存能力以前只是猜測的問題。
這些發現使得推測，如果生命曾經在火星上進化，並且微生物仍然在地下某處被冷凍，那麼如果給予合適的條件，它們可能仍然是可存活的。
“這顯然是與在南極洲、深層永久凍土甚至火星這樣的地方生存的生物體相關的途徑，”克里斯特納說。“這在天體生物學意義上是相關的，因為如果這些機制在我們的冰凍生物圈中發揮作用，那麼微生物可能正在太陽系中其他衛星和天體的冰冷環境中使用這種生存機制。我們對這些結果感到非常興奮。”
但是，關於嗜冷菌的研究遠未結束。雖然克里斯特納和同事們已經解決了這些長壽命微生物的 DNA 修復問題，但這些細菌如何獲得能量來維持數十萬年的 DNA 代謝活動的問題仍然存在。未來的研究需要解決這個問題，並研究生活在極端環境中的細菌使用的其他生存機制。
參考文獻:
Christner, B. C., Mosley‐Thompson, E., Thompson, L. G., & Reeve, J. N. (2003). Bacterial recovery from ancient glacial ice. Environmental Microbiology, 5(5), 433-436.
Dieser, M., Battista, J.R., Christner, B.C. (Published ahead of print 27 September 2013). Double-strand DNA break repair at -15°C. Appl. Environ. Microbiol., AEM.02845-13, doi:10.1128/AEM.02845-13