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                    《科學畫報》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    由中國科學社于1933年8月創刊,距今已有80年的歷史?!犊茖W畫報》在80年的辦刊歷程中,形成了通俗生動、圖文并茂地介紹最新科技知識,形式多樣地普及科學技術的特點,對提高廣大群眾的科學水平,啟發青年愛好科學、投身科學事業起了很大的作用,當今的不少著名學者、教授、科學家,青少年時代都曾受到它的熏陶和啟發。

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                    進化能逆轉嗎?

                    2021-06-11 13:24:00

                      在數十億年的時間里,進化已經在地球上創造了各種各樣的生命,包括我們人類在內。即便是現在,它還在幫助野生動物適應我們對地球所做的巨大改變。但進化也有黑暗的一面,有可能對我們的健康乃至文明構成威脅。

                      進化的黑暗面

                      首先,進化可能對健康造成危害。這就是為什么具有抗生素抗性的超級細菌變得越來越常見,以及為什么像瘧疾、癌癥這樣的致命疾病可以減弱藥物治療效果的原因。進化也會對我們的食物和環境造成影響,因為快速變化的害蟲和雜草變得越來越難以控制。那些曾一度認為被我們消滅的害蟲(頭虱、臭蟲和老鼠等),現在又有復發的跡象??鋸堃稽c說,文明的未來取決于我們如何阻止這些具有威脅的進化。

                      生物學家已經提出了一系列方法,包括創造“不可變”基因,將基因編輯工具轉變為“反進化”的超級武器,并加快病毒變異使其無法進化等。英國格拉斯哥大學的李·克羅寧 說:“我們甚至可以逆轉抗生素的耐藥性?!?/p>

                      我們傾向于認為進化是一個需要數百萬年的過程,事實上,它可以迅速完成。自文明出現以來,它一直給人類帶來困擾。農耕時代,當農民開始手工除草時,雜草就通過讓自己看起來更像農作物來進化。

                      在工業時代,進化已經成為一個工業規模的問題。當我們開始使用青霉素治療感染、用滴滴涕殺死蚊子和用除草劑摧毀雜草時,抗性就開始出現了。

                      原因很簡單:當我們試圖消滅害蟲和病原體時,我們會對它們施加巨大的壓力,要么進化,要么死亡。如果毒藥沒有完全生效,那些存活下來的個體可能會對它產生一定的抵抗力,而它們的后代可能會獲得更具抗性的突變。當華法林于1948年首次被用于殺死大鼠時,最早的抗藥報告在10年之后才出現。在快速繁殖的生物體如病毒和細菌中,這個過程可能僅需要數天或數小時。

                    DNA

                      逆轉進化的策略

                      進化無處不在。癌癥就是一種進化性疾病。癌癥細胞會躲避免疫系統的攻擊,誘使身體向它們提供食物和氧氣,并進行擴散傳播。

                      在我們與不良進化斗爭的過程中,已經取得了一些可喜的勝利。20世紀90年代,醫生采取三聯療法治療艾滋病。將三種藥物結合起來,使病毒很難同時對所有藥物產生抗藥性。三聯療法是最早的進化治療策略之一,它讓數百萬人重獲新生。

                      事實上,停止進化可以像消除驅動自然選擇的壓力一樣容易。例如,導致作物稻瘟病的真菌在短短3年內就會對新的殺菌劑產生抗藥性。當農民停止使用殺菌劑后,抗性菌株在4年內消失了。

                      甚至不需要停止使用殺菌劑或殺蟲劑,只需確保易感害蟲超過抗性害蟲即可。研究人員曾對農作物進行基因工程改造,使其可以產生Bt毒素(一種殺蟲劑)。但害蟲在幾年內就會對Bt毒素產生抗藥性。如果農民混合種植Bt作物和普通作物,大量的Bt易感害蟲就會存活下來,它們與Bt抗性較小的害蟲交配,導致害蟲體內不會再出現新的抗性。這種方法無疑是有效的,但農民不愿意種植大量的非Bt作物。

                      說服人們不要過度使用抗生素就更難了??股啬退幮哉谘杆賽夯?,并有可能在醫學上取消一個世紀以來的進步。然而一些研究人員認為我們可以使用抗生素來逆轉細菌的選擇壓力,并使它們再次對抗生素敏感。

                      克羅寧的團隊一直在試驗交替使用兩種抗生素來攻擊細菌。這并不是一個全新的思路,交替使用具有不同作用方式的化學品,長期以來一直用于防止出現農藥抗性,但之前尚未應用于抗生素??肆_寧的團隊已經開發出一個模型來研究如何優化效果,并證明它可以對培養皿中生長的細胞起作用。更重要的是,該模型表明這種方法也可以幫助阻止腫瘤細胞產生耐藥性。

                    DNA

                      逆轉進化的武器——CRISPR

                      同時,CRISPR基因編輯技術使我們能夠以一種全新的方式正面解決進化問題,該技術可以靶向和破壞特定的DNA(脫氧核糖核酸)序列。

                      CRISPR涉及兩個相關組分:Cas9蛋白和指導RNA(核糖核酸)。Cas9掃描細胞的DNA,直到找到與指導RNA的一部分相匹配的序列,然后在該特定位點切割DNA。因此,通過適當的指導,CRISPR可以破壞編碼抗生素抗性(或其他不需要的性狀)的DNA,而不會殺死攜帶它的細菌。換句話說,它可以用來逆轉進化。

                      棘手的部分是將CRISPR工具包放入細菌內。這可以通過稱為噬菌體的病毒來完成,噬菌體通過將DNA注入細菌來復制自身。遺傳學家“劫持”這些噬菌體,將病毒DNA換成編碼CRISPR成分的DNA。但是,這種方法有很大的局限性。首先,特定的噬菌體只會感染特定的細菌,因此必須定制每種處理方法。此外,噬菌體不能在血液中存活,因此不能用于治療內部感染——盡管它們可以噴灑在傷口上或用于靶向腸道內的細菌。

                      美國哥倫比亞大學的亞歷杭德羅·查韋斯采取了不同的策略。他的團隊不想使用CRISPR來逆轉進化,而是希望阻止特定的特征發展。他的團隊創建了一個針對已知突變CRISPR系統,該突變可以產生對抗生素利福平具有抗性的特定大腸桿菌菌株。接下來,他們將該系統插入非抗性大腸桿菌中,然后把這些經過改造的大腸桿菌和普通大腸桿菌放在小鼠的腸道里,再給小鼠服用利福平。在給予普通大腸桿菌的小鼠中,幾天內出現了抗性突變體;但在給予改造大腸桿菌的那些小鼠中,沒有出現抗性突變體。

                      這種“反進化”系統能夠以各種方式使用。最明顯的是用于制造各種產品(從啤酒到胰島素到香草調味品等)的微生物,阻止它們發生不必要突變。美國得克薩斯大學的杰弗里·巴里克的團隊正在通過創建“抗突變體”——突變率較低的細菌,來解決這個問題。一種方法是去除所謂的基因組寄生蟲,即生物體中不會提供任何益處,但會大大提高突變率DNA序列。另一種方法是提高復制DNA的酶的準確性,這可以顯著降低突變率。

                      突變率過高可以阻止生物適應和進化,甚至使它們滅絕。一些生物學家利用這一事實來對抗不良進化。根據此原理生成的一些實驗性藥物,有望對抗那些引發疾病的病毒,包括從流感病毒到西尼羅河病毒等。

                      這種方法可能僅對在RNA中編碼其遺傳信息的病毒有效,因為它們具有非常高的突變率。但查韋斯的“反進化”系統應該能在更廣泛的生物體中起作用,甚至可能在野生植物和動物(如蚊子和老鼠)中起作用。CRISPR已經被改編成人工基因驅動器,DNA序列在基因組中復制自己,以便傳遞給所有后代,而不僅僅是其中的一半。

                      CRISPR有望以全新的方式解決進化的黑暗面。但是,我們需要確定這樣不會造成意想不到的后果,比如驅動更危險病毒的進化等。有一件事是肯定的,即使在我們與進化的斗爭中使用新武器,這也將是一場持久的戰爭,我們所要做的就是在整個過程中領先一步。

                    本文來自《科學畫報》

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