耐辐射太空真菌如何助力药物发现

一种顽强真菌在切尔诺贝利幸存,被送入太空,目前正在加利福尼亚接受研究

2013年8月25日,在切尔诺贝利旧核电站被毁的4号反应堆上方建造的避难所和安全壳区域附近,一个放射性标志的景象。

8月26日,龙飞船太空舱降落在墨西哥下加利福尼亚州海岸附近的太平洋某处。船上载有有效载荷,其中包含在人类已知的两种最极端条件下生长的真菌:外太空和切尔诺贝利核电站。

这些真菌具有耐辐射性。三十年前,一次例行测试导致爆炸,放射性物质遍布乌克兰北部,但它们幸存了下来。美国宇航局喷气推进实验室的研究科学家 Kasthuri Venkateswaran 和南加州大学药学院的教授 Clay Wang 将这些真菌送往国际空间站,试图再次推动它们适应。

太空舱着陆当天,Venkateswaran 和 Wang 开车一小时前往加利福尼亚州长滩,取回样本,将圆柱形真菌管装入冷却器中。回到实验室后,Venkateswaran 和 Wang 花费了过去一个月的时间研究这次太空之旅如何改变了真菌。他们的目标是利用这些令人印象深刻的顽强生物,为开发能够赋予人类类似韧性的药物指明方向,例如那些正在接受癌症治疗的人。但是,借用另一个太空比喻,这只是迈出了一小步。


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Kasthuri Venkateswaran 在加利福尼亚州帕萨迪纳的喷气推进实验室。

自 20 世纪 90 年代后期以来,这些真菌一直由 Tamas Torok 照管。他在加利福尼亚州劳伦斯伯克利国家实验室的实验室保存着在切尔诺贝利及周边地区发现的 2000 多种真菌生物。这些真菌保存在零下 80 摄氏度的环境中,被冻结在时间中以保存其遗传组成。

微生物学家 Nelli Zhdanova 及其在基辅微生物学和病毒学研究所的同事最初在爆炸发生后的几十年里用机器人采集了样本。他们发现,微生物生命在世界上最严重的核事故现场出乎意料地蓬勃发展。

她的团队发现,这些真菌不仅可以在 30 公里禁区内生存,而且一些最靠近辐射源生长的菌株还可以完成一项惊人的壮举。Torok 说:“一旦真菌发现辐射源,它们就会定向朝向它生长。” “这是一种全新的体验,以前从未有人见过。”

进一步检查表明,真菌具有更高水平的黑色素(与我们头发和皮肤颜色相同的色素),可以吸收辐射。最靠近反应堆的真菌因黑色素而呈深黑色,但距离越远,黑色素水平就越低。

最近在阿尔伯特·爱因斯坦医学院进行的一项研究更进一步地证明了这一点。科学家们发现,切尔诺贝利真菌实际上受到了辐射的帮助,将通常致命的伽马射线转化为能量来源。

送往国际空间站的切尔诺贝利真菌在 NASA 喷气推进实验室的实验室培养皿中生长。

这引起了 Venkateswaran 的注意,他在 NASA 的工作部分是为了防止微生物“搭便车”进入太空。从这个角度来看,他对能够耐受高辐射的微生物很感兴趣,因为它们有可能在太空飞行中存活下来,从而污染其他行星或小行星。Venkateswaran 也知道,当微生物进入太空时,其基因表达可能会受到显着影响。

在南加州大学的实验室里,Wang 研究天然产物如何转化为药物。今年 4 月,两人合作将四种构巢曲霉菌株送往国际空间站,以回答一个基本问题:真菌会产生新的物质吗?Wang 拒绝在结果发表前分享具体细节,但表示他们确实看到了真菌产生的分子发生了明显变化。

Venkateswaran 说:“那时我们想,为什么不把这种耐辐射真菌送到空间站,看看它是如何生长的呢?”

Venkateswaran 是空间生物学专家,而 Wang 的角色是帮助分离、分类和纯化他们可能发现的任何物质。如果他们两人能够确定真菌在应对增加的辐射时正在制造哪些新化合物,那么理论上这些化合物可以转化为药物。

Venkateswaran 设想,这种药物可以用作人类辐射的“防晒霜”,例如接受放射疗法的癌症患者、切尔诺贝利等核电站的工人或 NASA 长时间飞行中的宇航员。

目前存在一些这样的放射防护药物,但美国癌症协会称它们是“活跃的研究领域”。

真菌在生产有益药物方面有着良好的记录。它们产生“次级代谢物”——对于真菌的基本功能来说不是必需的物质,但在生存需要时会产生——可以转化为药物。我们已经利用了其中的几种代谢物。青霉素是第一种抗生素,由真菌产生以抵御细菌。洛伐他汀是许多降胆固醇药物的活性成分,环孢素是器官移植期间使用的免疫抑制剂,这两种化合物都是由真菌制成的。

Wang 说,在真菌的基因组中可能隐藏着无数未被表达的有用代谢物。真菌中最多可有 400 或 500 个基因处于沉默状态,但找到新的代谢物需要一个压力环境。也许像微重力这样的环境。

球形枝孢霉菌是研究人员现在正在进行基因测序的八种真菌之一。

切尔诺贝利真菌的八个物种于 7 月 18 日发射升空。它们在低温密封容器中被送入太空,这样孢子在安全到达微重力环境之前无法生长。然后,国际空间站的宇航员将真菌带到室温下生长 7 天和 14 天,然后将它们放回冰箱。

现在,这些真菌被安置在 Venkateswaran 位于帕萨迪纳的实验室中。在过去的一个月里,Venkateswaran 和 Wang 一直在培养真菌,并对真菌进行各种基因组测序,以了解它们的基因表达在太空之旅中可能发生了怎样的变化。他们说他们已经看到了代谢物产生的差异,尽管他们预计他们的分析至少会持续到今年年底。

Venkateswaran 说,虽然这是一种令人兴奋且引人注目的寻找新药化合物的方式,但太空轨道可能不会成为药物发现的常用途径。商业访问国际空间站的机会正在增加,但船上只有六名科学家,他们的时间和空间都有限。

而且,由于真菌有 10,000 个基因,并且不完全了解是什么在太空中开启和关闭它们,因此很难预测结果——这意味着首先不知道应该将哪些物种送上太空,也不知道当它们返回时应该寻找哪种分子。

如果 Wang 和 Venkateswaran 确实在这些真菌中发现了感兴趣的分子,那么在它转化为药物之前还需要一段时间。他们的下一步将是纯化样品并在动物身上进行测试,之后通常必须对代谢物进行化学调整以降低毒性。

Wang 说:“我认为思考这个项目的最佳方式是:我们正在寻找线索。” “我们能否利用国际空间站作为一个平台,找到能够产生有趣和新颖且具有某种生物效应的化合物的线索?”

目前,答案仍然悬而未决。

STAT 许可转载。本文最初发表于 2016 年 10 月 11 日

Shayla Love 是一位居住在纽约州布鲁克林的记者。她撰写有关科学、健康以及历史、文化和哲学与当前研究交叉点的文章。在 Twitter 上关注 Love @shayla__love

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