本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
一些重金屬是生物體生存所必需的微量元素，但濃度過高時，這些金屬會變得劇毒無比。在歐洲，最受關注的元素包括砷、鎘、鈷、鉻、銅、汞、錳、鎳、鉛、錫和鉈。這些元素都可能作為工業生產的副產品或在道路沿線產生。與有機汙染物不同，金屬不會隨著時間推移而分解或衰減。相反，它們更傾向於沉澱到土壤或周圍環境中，並透過生物累積作用積累到危險的程度。
現在看來，這應該不足為奇了：雖然這些金屬對動物有害，但許多細菌和其他微生物卻能依靠它們茁壯成長，並能夠從水或土壤中去除有毒金屬元素。因此，人們對使用細菌作為廉價且非化學方法清理有毒廢物非常感興趣。幾年前，我參與了一個專案，該專案旨在設計一種細菌內的生物生物感測器來檢測砷。因此，我對一個旨在生產能夠清理重金屬的細菌的新專案特別感興趣。
該專案旨在利用特殊的細菌菌株，如銅綠假單胞菌，來清理重金屬汙染。透過連續培養暴露於銅中的細菌，研究人員已經培育出對毒性水平的銅離子具有更強生長能力的菌株。透過選擇更可能存活的細菌，並允許它們產生新的突變菌株，研究人員利用自然進化過程的力量來生產能夠完成他們想要的任務的細菌。這個過程被稱為定向演化。
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下圖顯示了用於生產這些特殊細菌菌株的部分過程。圓形培養皿上的條紋是細菌，而中心的小白盤則向培養皿釋放銅離子。最初，小白盤周圍有較大的無菌圈（稱為“抑制圈”），細菌被銅殺死。僅經過四代定向演化後，研究人員就觀察到抑制圈明顯縮小，這表明細菌能夠在更高水平的銅中存活。該研究的下一階段涉及生產不僅能夠在高濃度汙染物中存活，而且還能將其從環境中去除的細菌。
定向演化與我之前從事的設計基因機器相比如何？定向演化方法範圍更廣，並且更有可能產生令人驚訝的結果。在設計基因系統時，研究人員需要確切知道要使用哪些基因以及以什麼順序排列它們。對於定向演化，研究人員需要創造合適的生長條件，不斷地朝著正確的方向推動，然後觀察細菌會產生什麼。如果基因設計機器能夠按預期工作（誠然，這是一個很大的“如果”！），那麼它可以作為離散的 DNA 單元從一種細菌轉移到另一種細菌，而演化後的細菌本身就是一個單元。它們可能能夠去除和中和銅毒素，但它們實現這一目標的機制可能需要在同一細菌記憶體在多條途徑。
然而，這兩種系統都具有巨大的潛力。我喜歡定向演化之處在於，它利用細菌已經令人印象深刻的進化能力來創造潛在的全新系統。細菌繁殖速度非常快，數量非常多，並且儘管（或者也許正是因為）它們無法透過有性生殖共享基因，但它們對 DNA 的突變變化具有更強的容忍度。此外，細菌所處的環境壓力越大（例如，當被毒素包圍時），它產生的突變和 DNA 變化就越多，這使得更有可能找到解決當前環境問題的方法。透過定向演化，解決它們環境問題的方法，也就是解決我們環境問題的方法。
這個專案目前正在 microryza 上進行眾籌，請訪問他們的網站以表達您的支援！
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