交通(tong)要道(dao)、供(gong)暖鍋爐(lu)與(yu)農田附(fu)近大(da)氣中的(de)細顆粒物PM2.5濃度(du)相同，但三(san)地PM2.5的(de)毒(du)性也(ye)許并不一樣，對人體的(de)健康影響也(ye)可能(neng)大(da)相徑庭(ting)。北京大(da)學(xue)課(ke)題(ti)組研究人員近期取得了跨學(xue)科(ke)進(jin)展(zhan)，集成了空氣采樣、酵(jiao)(jiao)母(mu)菌(jun)以(yi)及(ji)酵(jiao)(jiao)母(mu)菌(jun)蛋白熒光等自動檢測平臺，首次以(yi)熒光標記(ji)的(de)酵(jiao)(jiao)母(mu)菌(jun)實(shi)現了對PM2.5毒(du)性指標的(de)多方(fang)面實(shi)時在(zai)線監測。

　　研(yan)究人員認(ren)為，這種方(fang)法針對(dui)PM2.5等顆粒物對(dui)人體(ti)健康效應機制的(de)(de)研(yan)究提供了(le)開創性的(de)(de)研(yan)究思路和(he)方(fang)法，可(ke)(ke)以(yi)從分子水平多角度理(li)解PM2.5對(dui)人體(ti)的(de)(de)可(ke)(ke)能損傷情況(kuang)，有助于發現(xian)目前研(yan)究方(fang)法檢測不到或被忽略的(de)(de)健康效應及響應通(tong)路，從而可(ke)(ke)以(yi)避免“盲人摸象”的(de)(de)弊端。

　　酵(jiao)母菌(jun)與(yu)人(ren)類(lei)基(ji)因有(you)“同源性”人(ren)類(lei)細胞與(yu)酵(jiao)母菌(jun)細胞一樣有(you)自噬現象，基(ji)本機理等也類(lei)似(si)。并且具有(you)相似(si)的(de)(de)反應，通過PM2.5對酵(jiao)母菌(jun)基(ji)因的(de)(de)損害可推斷(duan)出對人(ren)的(de)(de)基(ji)因的(de)(de)相關損傷。

　　當(dang)前(qian)，對大氣顆(ke)粒物毒性研究，大多采用細胞、老鼠等動物實驗，或人體觀測(ce)。但動物暴(bao)(bao)露實驗必須在高濃度(du)劑(ji)量(liang)中進(jin)行，偏離(li)實際環境暴(bao)(bao)露劑(ji)量(liang)；而且靈敏(min)度(du)較低，響應(ying)時間(jian)較長，需要幾小時甚至幾天；具有滯(zhi)后性，觀測(ce)到損傷(shang)時，危害(hai)往往已經顯現(xian)。

　　為何想(xiang)到要(yao)用酵母(mu)菌(jun)來(lai)(lai)對PM2.5毒性來(lai)(lai)監測(ce)？北京大學(xue)環境科(ke)學(xue)與工程學(xue)院研究員要(yao)茂盛(sheng)解釋(shi)說(shuo)，酵母(mu)菌(jun)基(ji)因與人的基(ji)因有(you)(you)“同源性”，并(bing)有(you)(you)相(xiang)(xiang)似的反(fan)應，PM2.5對酵母(mu)菌(jun)基(ji)因的損害可推斷出(chu)對人的基(ji)因的相(xiang)(xiang)關損傷。

　　例(li)如，酵(jiao)母菌(jun)(jun)的(de)(de)自(zi)(zi)(zi)噬作用。要茂(mao)(mao)盛說(shuo)，日本教(jiao)授大隅良典發現(xian)(xian)，人(ren)類細(xi)胞與酵(jiao)母菌(jun)(jun)細(xi)胞一樣有自(zi)(zi)(zi)噬現(xian)(xian)象，基(ji)本機理等(deng)也(ye)類似。正因(yin)為(wei)在(zai)(zai)細(xi)胞自(zi)(zi)(zi)噬研究方面(mian)的(de)(de)成(cheng)(cheng)就，大隅良典獲得了(le)2016年(nian)諾貝爾生理學或(huo)醫學獎。自(zi)(zi)(zi)噬作用是(shi)指細(xi)胞面(mian)對(dui)(dui)生存(cun)壓力(li)時(shi)，可(ke)通過降解自(zi)(zi)(zi)身非必(bi)需成(cheng)(cheng)分來提(ti)供營(ying)養(yang)和能(neng)量，從而維持(chi)生命；自(zi)(zi)(zi)噬作用也(ye)可(ke)能(neng)降解潛(qian)在(zai)(zai)的(de)(de)毒性蛋白(bai)來阻止細(xi)胞損傷(shang)等(deng)。要茂(mao)(mao)盛說(shuo)，這種酵(jiao)母菌(jun)(jun)俗(su)稱釀酒(jiu)酵(jiao)母（Saccharomyces cerevisiae），共(gong)有6000多個(ge)基(ji)因(yin)。其(qi)基(ji)因(yin)序(xu)列在(zai)(zai)1996年(nian)已全部測序(xu)完(wan)成(cheng)(cheng)，也(ye)是(shi)第一個(ge)完(wan)成(cheng)(cheng)基(ji)因(yin)測序(xu)的(de)(de)真核生物。它(ta)被(bei)廣泛應用在(zai)(zai)人(ren)類疾病研究中(zhong)，許多生命現(xian)(xian)象及蛋白(bai)功能(neng)都來自(zi)(zi)(zi)該(gai)酵(jiao)母菌(jun)(jun)的(de)(de)研究。“一個(ge)酵(jiao)母菌(jun)(jun)5—10微米大小，半徑較大，在(zai)(zai)顯微鏡下用肉(rou)眼就能(neng)很容(rong)易看到，有利于(yu)監測單細(xi)胞熒(ying)光，從而得以(yi)對(dui)(dui)PM2.5毒性的(de)(de)實時(shi)在(zai)(zai)線顯示。”要茂(mao)(mao)盛說(shuo)，課題(ti)組前期對(dui)(dui)酵(jiao)母菌(jun)(jun)的(de)(de)上百種基(ji)因(yin)蛋白(bai)進(jin)行(xing)了(le)高通量篩查(cha)，發現(xian)(xian)了(le)氧(yang)化損傷(shang)蛋白(bai)（HSP60）、DNA修(xiu)復(fu)蛋白(bai)（SSA1）等(deng)對(dui)(dui)空(kong)氣中(zhong)的(de)(de)PM2.5響應比較靈敏(min)，“例(li)如，我們(men)在(zai)(zai)單個(ge)活體酵(jiao)母菌(jun)(jun)上發現(xian)(xian)DNA修(xiu)復(fu)發生在(zai)(zai)氧(yang)化損傷(shang)后的(de)(de)大約20分鐘，反應相當靈敏(min)”。

　　綠色(se)熒光蛋白(bai)實時顯現PM2.5損害

　　當PM2.5對酵母(mu)菌(jun)發生了某些(xie)損傷，相對應的GFP蛋白就會表達并發光，然后被酵母(mu)菌(jun)蛋白熒光自動(dong)檢測平臺“捕捉”到(dao)，這樣(yang)就好像“實時監測到(dao)不同(tong)地(di)區每輛(liang)車的行駛(shi)擁擠(ji)狀況”。

　　想實(shi)(shi)現(xian)對(dui)PM2.5毒性等(deng)實(shi)(shi)時在線監測，就必須(xu)讓大氣中的PM2.5與酵母菌接(jie)觸產(chan)生相關(guan)刺(ci)激，所標記的基(ji)因得(de)到及時表達，從(cong)而顯示相關(guan)毒性。要(yao)茂盛說，這就依賴綠色(se)熒光(guang)蛋(dan)白(bai)（GFP）。

　　綠(lv)色(se)熒光蛋(dan)白(bai)（GFP）最早于1962年(nian)在(zai)維多(duo)利亞多(duo)管(guan)發(fa)(fa)光水母中發(fa)(fa)現(xian)，其基因所產生的蛋(dan)白(bai)質，在(zai)藍色(se)波長范圍的光線激發(fa)(fa)下，會發(fa)(fa)出綠(lv)色(se)螢光。日(ri)本科學(xue)家(jia)下村修(xiu)、美國科學(xue)家(jia)馬丁·查(cha)爾菲和錢永健等就是因為發(fa)(fa)現(xian)、改造了(le)綠(lv)色(se)熒光蛋(dan)白(bai)獲得了(le)2008年(nian)的諾貝爾化學(xue)獎。

　　要茂盛說(shuo)，課題(ti)組利用GFP標記的(de)酵(jiao)(jiao)母(mu)菌，與(yu)擬研究的(de)酵(jiao)(jiao)母(mu)菌蛋(dan)白一一“綁”在(zai)一起。就(jiu)像是個(ge)“臥底(di)”，當PM2.5對(dui)酵(jiao)(jiao)母(mu)菌發生了(le)某些損傷，相對(dui)應的(de)GFP蛋(dan)白就(jiu)會表達并發光，然后被(bei)酵(jiao)(jiao)母(mu)菌蛋(dan)白熒光自動檢(jian)測平臺“捕捉(zhuo)”到(dao)(dao)，這樣就(jiu)好(hao)像“實(shi)時(shi)監測到(dao)(dao)不(bu)同地區每輛車的(de)行(xing)駛(shi)擁(yong)擠狀況(kuang)”，從(cong)而可以更好(hao)地了(le)解(jie)PM2.5的(de)損傷機(ji)理。檢(jian)測數據還(huan)可遠(yuan)距離信息傳輸，“即使我在(zai)國(guo)外(wai)開會，也能及時(shi)收到(dao)(dao)放在(zai)北(bei)京的(de)設備發出(chu)的(de)檢(jian)測信息”。

　　要茂盛說，自動(dong)檢測(ce)平臺使用的(de)是(shi)生(sheng)物芯(xin)片(pian)(pian)，即把多個不(bu)同(tong)GFP標記的(de)活(huo)體酵母(mu)菌(jun)放在一個芯(xin)片(pian)(pian)的(de)不(bu)同(tong)地方，酵母(mu)菌(jun)在芯(xin)片(pian)(pian)里(li)的(de)培養液中只能小(xiao)范圍移動(dong)。“當人(ren)體吸(xi)入PM2.5，人(ren)體組織細(xi)胞與其接觸發(fa)生(sheng)交(jiao)互反應，如(ru)同(tong)該系統酵母(mu)菌(jun)與顆粒物的(de)接觸。酵母(mu)菌(jun)蛋白(bai)(bai)又與人(ren)體蛋白(bai)(bai)相似，所(suo)以PM2.5對(dui)酵母(mu)菌(jun)的(de)損(sun)害(hai)可推斷出(chu)對(dui)人(ren)體的(de)相關損(sun)害(hai)。不(bu)過(guo)，對(dui)酵母(mu)菌(jun)損(sun)害(hai)的(de)響應時間(jian)快慢(man)取決于PM2.5的(de)濃(nong)度。”

　　揭示PM2.5對人(ren)具體(ti)致病毒性機制

　　未來還將人(ren)工合成一些比較靈敏(min)的(de)基(ji)因，綁定新(xin)基(ji)因后，酵母菌對PM2.5毒性(xing)的(de)響應(ying)就會更靈敏(min)、更迅速、更有針對性(xing)，可以實現精準檢(jian)測。

　　要茂(mao)盛認為，PM2.5毒(du)性的(de)實時(shi)在線監測系統的(de)成果，與北(bei)京大(da)學(xue)(xue)物(wu)理學(xue)(xue)院副教授羅春雄(xiong)領導的(de)研究團(tuan)隊努(nu)力是分不開的(de)，而(er)且(qie)是“站在巨人的(de)肩膀”上，建(jian)立在兩個諾(nuo)貝爾獎的(de)科學(xue)(xue)成果基(ji)礎之上研發的(de)，具(ju)有非(fei)常強的(de)學(xue)(xue)科交叉性。

　　目(mu)前(qian)，此項(xiang)研究(jiu)成果已申(shen)請國家發明專利。課題(ti)組正在利用該系統對不同國家、不同地區(qu)大氣中的(de)PM2.5毒性(xing)進行檢(jian)測(ce)和研究(jiu)，同時(shi)也在篩查更多的(de)有響應(ying)的(de)酵母菌蛋白(bai)并研究(jiu)其靈敏(min)度(du)、響應(ying)毒性(xing)精準度(du)的(de)標定，從而進一步全方位揭示PM2.5對人(ren)體的(de)具體致病機(ji)制(zhi)。

　　“未來，我們(men)還將人工合成(cheng)一些比較(jiao)靈敏(min)的基因(yin)，綁定(ding)新基因(yin)后，酵母菌(jun)對PM2.5毒(du)性的響應(ying)就會更靈敏(min)、更迅速、更有針(zhen)對性，可以實現精準檢測。”要(yao)茂盛(sheng)說。

　　要茂盛表示，對PM2.5毒(du)性的實時(shi)在線(xian)監測系統(tong)是建(jian)立在他的“實時(shi)在線(xian)甄別空(kong)氣中的致病(bing)微生物(wu)系統(tong)-GREATpa”成果的基礎上(shang)的。

　　空(kong)氣(qi)中(zhong)的微生(sheng)(sheng)物(wu)無色(se)無味、具有潛(qian)伏性、瞬間性。如(ru)(ru)果(guo)不能(neng)對空(kong)氣(qi)微生(sheng)(sheng)物(wu)進行實時監(jian)測，那么(me)就無法及時發現空(kong)氣(qi)中(zhong)潛(qian)在的微生(sheng)(sheng)物(wu)危害，從而可能(neng)造(zao)成非常(chang)嚴重的后果(guo)，如(ru)(ru)疫情(qing)爆發、生(sheng)(sheng)物(wu)恐怖襲擊等(deng)。

　　“實時(shi)在(zai)(zai)線(xian)甄別空氣中(zhong)的(de)致病微生物系(xi)統”在(zai)(zai)應(ying)對突發(fa)的(de)公共衛生事件以及(ji)臨(lin)床呼吸系(xi)統感染診斷以及(ji)生物預警、國防軍事防恐等領域(yu)具有重要(yao)的(de)應(ying)用價值。要(yao)茂盛希望，在(zai)(zai)不久未(wei)來基于活(huo)體酵母菌傳感器的(de)PM2.5毒性的(de)實時(shi)在(zai)(zai)線(xian)監測(ce)系(xi)統能夠在(zai)(zai)我(wo)國應(ying)對霧霾危害(hai)、保(bao)護公眾健康(kang)方(fang)面發(fa)揮積極(ji)的(de)作用。