在实验室中进化的抗辐射大肠杆菌可以看到DNA修复

威斯康星大学麦迪逊分校生物化学系的科学家正在观察实时发生的进化。最近在线发表于“细菌学杂志”的一项研究中，生物化学教授迈克尔·考克斯及其团队描述了每周一次用电离辐射对大肠杆菌进行爆破，使细菌变得具有抗辐射性。在这样做的过程中，他们发现了这种抗性背后的基因突变和机制。

研究结果揭示了未来可能将抗辐射细菌用于各种应用的方法，包括环境清理和在癌症放射治疗期间保护有益的肠道微生物。

考克斯的实验室长期以来一直对DNA修复感兴趣，DNA修复是一种细胞过程，通过这种过程，所有生物体都能够将由电离辐射等应力破坏的DNA碎片重新组合在一起。这种类型的辐射本质上是高能量并且与核辐射和诸如铀和钚的元素相关。宇航员也在太空中接触这种形式的辐射。在一些癌症疗法和一些医学成像(例如X射线)中以较低剂量遇到它。

少数生物，主要是细菌，天然抵抗高水平的电离辐射。然而，许多是众所周知的难以研究，对它们知之甚少，特别是与大肠杆菌相比。这导致考克斯的团队转向研究抗辐射细菌的另一种方式 - 进化自己。

他们在“定向”进化中的实验很简单。主要作者和博士后研究员Steven Bruckbauer将大肠杆菌群分为四组。每周一次，他和一个本科研究人员团队使用医学物理系的设备用电离辐射打击每个人群，直到99%的细胞死亡。然后，他们培养幸存者 - 最好的抗拒辐射文化的百分之一。从这些细菌生长的大多数新细菌携带有益的抗辐射突变。

考克斯解释说：“有许多突变可能与赋予抵抗力无关，而且只是为了骑行。” “我们将人口分成四个，这样我们就可以比较多个群体的突变并检查模式并尝试确定辐射抗性的主要驱动因素。”

随着时间的推移，随着细菌变得耐药，研究人员已经能够提高它们暴露细菌的辐射水平。该研究深入研究了它们在50个循环后积累的突变(意味着细菌被照射了50次)。

由美国能源部联合基因组研究所的UW-Madison团队的合作者进行的序列分析显示，几种基因的突变导致大肠杆菌中更有效的DNA修复，这有助于提供抗性。另一个突变是RNA聚合酶，这种酶负责将RNA转录成DNA，最终用于制造重要的蛋白质。

虽然整体机制，如增强的DNA修复，与天然抗性细菌相同，但导致这些变化的许多突变从未见过。Bruckbauer补充说，除了DNA修复和RNA聚合酶的改变之外，还有一些全新的抗药性方法可能会出现。“这些赋予抵抗力的机制正是我们所见过的，”他说。“考虑到我们尚未发现或尚未发展的新奇可能性令人兴奋。在自然界中我们看到最终会出现一些其他机制，但随后新的机制可能会开始发展。”

该小组目前正在通过选择的第125周期，并计划研究未来里程碑周期的遗传学，以了解细菌的耐药性。

虽然抗辐射细菌确实存在于自然界中，但它们对各种应用的有用性可能取决于它们所具有的特定突变。考克斯解释说，试图在不知道这些突变的情况下设计这种细菌以及它们如何起到增强细胞DNA修复系统的作用将是非常困难的。

抗辐射细菌可能作为益生菌施用，以帮助减轻癌症治疗的一些副作用，并可能有助于核废料场所的清理。此外，美国宇航局担心宇航员在太空中接触辐射，考克斯的工作可能会发现一种可以更好地保护宇航员的机制。

“我们发现大肠杆菌和其他对辐射敏感的生物具有这种潜在的能力，可以通过修改一些现有的DNA修复蛋白来提高抗辐射能力，”Bruckbauer说。“据我们所知，没有人在实验室里做过这种抗辐射的东西。这是生活如何适应的一个很好的例子。”