本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
一些重金属是生物体生存所必需的微量元素，但浓度过高时，这些金属会变得剧毒无比。在欧洲，最受关注的元素包括砷、镉、钴、铬、铜、汞、锰、镍、铅、锡和铊。这些元素都可能作为工业生产的副产品或在道路沿线产生。与有机污染物不同，金属不会随着时间推移而分解或衰减。相反，它们更倾向于沉淀到土壤或周围环境中，并通过生物累积作用积累到危险的程度。
现在看来，这应该不足为奇了：虽然这些金属对动物有害，但许多细菌和其他微生物却能依靠它们茁壮成长，并能够从水或土壤中去除有毒金属元素。因此，人们对使用细菌作为廉价且非化学方法清理有毒废物非常感兴趣。几年前，我参与了一个项目，该项目旨在设计一种细菌内的生物生物传感器来检测砷。因此，我对一个旨在生产能够清理重金属的细菌的新项目特别感兴趣。
该项目旨在利用特殊的细菌菌株，如铜绿假单胞菌，来清理重金属污染。通过连续培养暴露于铜中的细菌，研究人员已经培育出对毒性水平的铜离子具有更强生长能力的菌株。通过选择更可能存活的细菌，并允许它们产生新的突变菌株，研究人员利用自然进化过程的力量来生产能够完成他们想要的任务的细菌。这个过程被称为定向演化。
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下图显示了用于生产这些特殊细菌菌株的部分过程。圆形培养皿上的条纹是细菌，而中心的小白盘则向培养皿释放铜离子。最初，小白盘周围有较大的无菌圈（称为“抑制圈”），细菌被铜杀死。仅经过四代定向演化后，研究人员就观察到抑制圈明显缩小，这表明细菌能够在更高水平的铜中存活。该研究的下一阶段涉及生产不仅能够在高浓度污染物中存活，而且还能将其从环境中去除的细菌。
定向演化与我之前从事的设计基因机器相比如何？定向演化方法范围更广，并且更有可能产生令人惊讶的结果。在设计基因系统时，研究人员需要确切知道要使用哪些基因以及以什么顺序排列它们。对于定向演化，研究人员需要创造合适的生长条件，不断地朝着正确的方向推动，然后观察细菌会产生什么。如果基因设计机器能够按预期工作（诚然，这是一个很大的“如果”！），那么它可以作为离散的 DNA 单元从一种细菌转移到另一种细菌，而演化后的细菌本身就是一个单元。它们可能能够去除和中和铜毒素，但它们实现这一目标的机制可能需要在同一细菌内存在多条途径。
然而，这两种系统都具有巨大的潜力。我喜欢定向演化之处在于，它利用细菌已经令人印象深刻的进化能力来创造潜在的全新系统。细菌繁殖速度非常快，数量非常多，并且尽管（或者也许正是因为）它们无法通过有性生殖共享基因，但它们对 DNA 的突变变化具有更强的容忍度。此外，细菌所处的环境压力越大（例如，当被毒素包围时），它产生的突变和 DNA 变化就越多，这使得更有可能找到解决当前环境问题的方法。通过定向演化，解决它们环境问题的方法，也就是解决我们环境问题的方法。
这个项目目前正在 microryza 上进行众筹，请访问他们的网站以表达您的支持！
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