互动科普

独立细菌之间的基因转移较之以前认为的更为经常。对这种移动过程的研究能够有助于减少将基因工程微生物释放入环境的危险。

20世纪80年代初，当科学家们正在完善一些将外源基因接入细菌的技术时，有些研究人员便开始提出一些利用这种技术使之有益于环境的途径。例如，他们提出可以将基因工程细菌应用于诸如清除溢油或保护农作物免受掠食和病害等任务．但是这项称之为环境生物工程的事业不久便受到批评。

当时和现在一样，这些建议引发出了这样一个问题：这些已改造的微生物可能胡作非为或者它们的基因可能会出乎意料地跳到其他生物体上——一种称为“水平”基因转移的现象(以便将它与亲本和其后代之间发生的“垂直”转移区分开)。人们所担心的这类活动可能会以某种方式无可挽救地危害环境、动物或人类。一些评述者甚至发出了可怕的警告：这些反常生物体可能毁灭地球。小报不再担心来自外部空间“杀手蕃茄”的攻击：现在的危险来自内部——基因改造的微生物，它们可能会吃掉我们的环境。

遗憾的是，当时生物学家们几乎没有据以作出反应的完整信息。他们几乎不知道基因工程微生物在自然界中的命运以及天然或引入的细菌基因向新的宿主迁移的倾向。多亏遗传研究人员和研究处于正常生境条件微生物的微生物生态学家之间的通力合作，那种数据缺少的情况目前正在得到补救。

现在至少有两种品系的基因工程细菌已获得美国环境保护管理局(EPA)的批准(投入农业应用)，并且已经进行了数十次现场试验。对于自然生境中细菌之间的基因转移所进行的试验和更普遍的调查研究，表明经基因处理的细菌本身不大可能无限制地繁殖。它们往往是脆弱的并且会相当迅速地灭绝，而不会无限期地继续存在：因而，它们的基因可能并没有太多的机会扩散。

可是在某些情况下，这些基因有可能设法到达其他细菌乃至其他类型的生物体。然而，安全释放这些微生物的一个关键在于识别那些将促进或阻止特异性细菌将它们的基因转移到其他生物体的条件——这是我在俄克拉荷马州立大学的实验室和其他实验室正在积极努力地解决的一个问题。手头上掌握了这类信息，生物学家就能选择一些最不可能在“被处理过的特定地点与其他生物体交换基因的细菌。举例来说，对于释放入湖泊而言，生物工程学家就能够选择一种不会在水中迅速交换基因的细菌。

科学家们尚无法汇编一份最适合于任何一种给定场合的细菌的严格清单。然而，这种联合研究已经揭示出关于三种最普通形式的水平基因转移——转导、接合和转化——在自然界中发生的倾向的大量信息。

上述发现将是本文的焦点，但是我应该指出，对于促进细菌中水平基因转移条件的深入了解与另一个现代问题有关：致病细菌对抗生素的抵抗力的增加。这种情况证明作为单细胞生物的细菌经常将抗生素抗性基因传送给人体中其他种类的细菌。了解这种转移发生的时间和过程将有助于研究人员开发一些阻断这种转移的策略方法。

在一种更高理论水平上说，水平基因转移在自然界中相当普遍这一发现表明，在整个进化过程期间，这种过程可能已有助于细菌中目前显而易见的巨大的遗传多样性。有些发现甚至表明，一些基因已在三种主要生物学生命种群之间交换，这三种主要生物学生命种群是细菌、真核生物(动物、植物、真菌和原生动物)和原始生物(一些具有细菌和真核生物的某些性质的原始微生物)。当前的信息表明，从细菌到真核生物，从细菌到原始生物，以及特别是从真核生物到细菌都有基因转移发生。因而水平基因交换可能已对许多生命形式的进化过程都产生过影响。

一次意义重大的钓鱼旅行

我本人涉足研究自然界中水平基因转移的问题，可追溯到1976年春天，当时我还是田纳西大学诺克斯维尔分校的一名副教授。那时，我的确是一位对活细胞的工作过程感兴趣的遗传学家。我认识到某些细菌可能会自然地将基因从一个成熟的细菌细胞传送给另一个细胞。不过，以我的眼光，水平基因转移，仅在它将一些新基因因而也就是新性状引人到实验室中正在研究的细胞中的情况下，才是有意义的。

Gary Sayler是该校的另一位年轻的副教授。我与他在某个星期六下午的一次钓鱼旅行，突然改变了我的狭隘的观点。当我们坐在小船中时，作为微生物生态学家的Sayler问我，我是否认为在湖水下面的细菌之间正在发生许许多多的基因交换。我假定，细菌细胞可能会分散在水中并且相互之间可能接触相当少。因而我猜测基因转移率是较低的。虽然当时我坚持我的看法，但是也不得不承认我对自然界中的水平基因转移方面的科学论文不太熟悉。

到了星期一，我相信文献可能是全面的，于是来到图书馆寻找一种更具权威性的答案。几个小时之后，我却表现出震惊和失望：实际上我什么也不知道。

然而，Sayler却兴高采烈。他刚好建造了一个供研究生活在淡水中生物的容器。我们可能试验该容器和开始通过测量在我们的钓鱼孔处发生的转导数量来填补一项科技知识空白。在其后的整个秋季和春季，我们进行了证明转导能够在淡水中发生的首批研究。

1978年，当我们发表这些研究结果时，我们坚信其他人将象我们一样对之感兴趣，并且我们所发表的论文将是关于自然界中细菌基因交换的许多研究项目中的第一篇论文。可是当时却没有科研拨款机构分享我们的想象力。不过，到了1985年，对于基因工程细菌释放人环境的担忧却改变了所有那一切：因此Sayler和我——以及其他人——开始全力一搏以探索水平基因转移在各种各样环境中发生的可能性。

接合得到进一步确认

作为细菌在非实验室场所散布基因材料的一种可能途径，接合是得到广泛研究的第一个基因转移机制。此机制在1946年得到确认，当时耶鲁大学的Joshua Lederberg和Edward Tatum发现，大肠杆菌这种肠道细菌使用一种类似性交的过程交换目前被称之为质粒的环状DNA成份。

质粒含有基因但却与细菌染色体分离，细菌染色体较大并含有细菌繁殖所必需的基因。(染色体有时也能通过接合进行交换，但是只能在一些极为罕见的环境条件下进行。)质粒常常携带有增加在不利环境中存活机会的基因。例如，除了包括它们自身繁殖和转换所需要的基因之外，它们还经常包含有一些蛋白质所需要的基因，这些蛋白质使细菌能够逃避抗菌素的破坏，能够降解诸如多氯联苯(PCB)之类的有毒化合物或者将汞或其他重金属变成较小毒性的形式。

由于历史上的原因，微生物学家根据细菌是否保留有一种特别的染色剂，而将它们分成为革兰氏阴性和革兰氏阳性两种类型。实验室研究表明，在革兰氏阴性菌(未保留这种染色剂)中，接合转移开始于供体细胞将一种称为菌毛的附属物附着到呈示出菌毛受体的受体细菌上，然后菌毛缩回，将供体和受体聚拢到一起。一般来说，许多供体都在大致同时伸展菌毛，并且若干供体细胞能够同时汇集于一个受体。因此，菌毛伸出使细菌细胞聚集成一些聚簇。在聚集体出现之后，供体和受体细胞之间便形成一些桥或孔，并且质粒就通过这些桥从供体进入受体。

一些菌毛能促进细菌细胞在液体中和在固体表面上聚集；另一些则只能在固体表面上有效地促进聚集。这类区别意味着，想要将基因工程革兰氏阴性菌引入到水生环境中的研究人员，选择一种具有只能在固体表面上诱发聚集菌毛的细菌细胞将是明智的。

革兰氏阳性菌中的接合转移与菌毛无关。在接合之前，准备接受新基因的受体分泌一些物质，这些物质促使潜在供体产生能够将细菌细胞聚集在一起的蛋白质，它们经常被称之为凝集因子。当这些细胞聚集时，它们就形成DNA转移所需要的孔。因此，如果研究人员意欲选择一种用于释放到某一含有其他革兰氏阳性菌区域的重组革兰氏阳性菌，那么它们便可能通过改变这种细菌，以便它不能制造出任何凝集因子，而减少在这种环境中基因转移的危险。通常，革兰氏阴性和革兰氏阳性菌能够同时出现于天然水生环境和陆生环境中，它们仅与其自身群体的成员交换质粒：许多细菌都把交换局限于它们自身种类的范围内。但是某些“滥交”质粒能够在完全无关的种类之间转移DNA：在革兰氏阴性和革兰氏阳性菌之间，甚至从细菌到酵母细胞和植物进行DNA转移。因而，很显然，将携带滥交质粒的细菌用于实验室之外可能是糟糕的选择。

但是实际上接合在自然界中是杏极其频繁地发生足以证明试验台研究所指出的这些安全措施是合理的呢?目从2O世纪80年代环境生物工程拙现以来，研究人员已经证实接合发生于许多天然环境中，其中包括在水中，在陆上和在各种各样的植物和动物中。

关键性接合研究

值得注意的是，在一系列研究中，威尔士大学的John C．Fry，Martin J．Day和他们的同事证明，通过接合进行基因转移能艘在淡水环境中的细菌中发生。这些研究人员发现，接合使一种实验室铜绿假单胞菌(绿脓杆菌)菌株能够取得质粒，这种质粒使生活在威尔士加的夫受污染的塔夫脱河的细菌对汞毒具有自然抵抗力。铜绿假单胞菌是一种普通的土壤和淡水细菌，它能在免疫防御能力下降的人们中造成呼吸道和尿道感染。

研究人员首先使铜绿假单胞菌中的一个基因突变：这种操作使该基因生成一种异于未触动基因规定的蛋白质。这种改变的蛋白质以后可以充当跟踪投人该河流中的任何细菌细胞的一种标记。由于对这种铜绿假单胞菌基因进行了修改，该研究小组将这些标记细菌引人到该河流中复盖着河底石头的富含营养物的粘土层即石面中。(这些石头被包封于一种极细的滤料中，以防止细菌逃逸。)

24小时之后，该研究小组收回这些石头，并检查石面上是否有已从岩石上自然发生着的铜绿假单胞菌种群中接受一种汞抗性质粒的标记铜绿假单胞菌细胞。仅有万分之一到十亿分之一之间的引入铜绿假单胞菌获得了一个质粒，但是这种转移毕竟不可否认已经发生了。这一研究工作还产生出诸如水温、酸度和营养物浓度之类的因素影响接合频度的有用信息。

在许多研究中，人们发现环境因素在自然界中以不同于实验室的方式影响接合转移。例如在Fry、Day和他们的同事所进行的实验中，接合发生于6到18℃——温度太低便无法支持实验室菌株中的接合。这些意外的研究结果意味着，如果研究人员想要精确地确定出使接合保持在最低限度的条件，那么就必须在自然界中对接合进行研究。

根据Fry、 Day和其他人的研究工作，科学家们目前断定，虽然细菌使用接合在许多不同的环境条件中转移遗传信息，但是基因改造质粒却几乎不可能造成危险。质粒使细菌生长速率放慢，如果某一生物体保持质粒没有好处，那么这些质粒通常会被淘汰。例如，如果携带汞抗性状的基因处理质粒设法到达生活于汞污染场所以外的某一生物体，那么新宿主可能不久就会除掉这种质粒。

此外，质粒很少(如果有的话)进入细菌染色体中。因而，即使它们转移到一种新的细菌宿主上，它们也不会成为该宿主染色体组(基因组)的稳定组成部分；每当一种亲本细胞繁殖时，都总是将染色体加以复制并分配给新生成的细菌细胞，但是当细胞分裂时并未始终如一地繁殖质粒。尽管如此，为了事实上消除进入基因工程细菌的基因借助接合扩散的机会，正在考虑在自然界中使用重组细菌的生物工程学家已选择将这些基因插入染色体而非质粒中。

转化危险是最小的

虽然接合是在环境条件下广泛研究的第一种细菌基因转移机制，但是并非是人们最早发现的机制。对细菌中的基因转移研究开始于1928年，当时英国细菌学家Frederick Grifith观察到，非致死性肺炎球菌在与致死性肺炎球菌一起注射入小鼠中时就变成为致死性的。Griffith断定说，最初的非致死性细菌从致死性细菌那里取得一种“转化”剂，因而变得十分有毒，足以杀死这只小鼠。现在人们知道那种转化剂是在死去的细菌分解时释放人周围介质中的DN如果某一基因作为整个质粒的一部分被接受或者如果一个含有该基因的DNA片断被并人某一受体的染色体，那么我们就说它成功地通过转化被交换。

在革兰氏阴性和革兰氏阳性这种细菌中的自然转化，要求释放出的DNA继续保持稳定和潜在受体细胞有能力接纳它。即这些受体必须显示出粘合该DNA和使它内在化的特种表面蛋白质。

直到目前为止，研究人员仍假定转化可能在大多数场合都不会发生，因为游离DNA在土壤或水中可能是不稳定的。但是德国奥尔登堡大学的Michael Lorenz和Wilied Wackernagel，纽约大学的Guenther Stotzky和其他人所进行的研究证明，通过与土壤组分联系起来，游离-DNA能变得稳定，并且这种DNA能够被感受态细胞接纳。一些更新的研究表明，质粒DNA有时已通过在河水和在河底石头石面中的转化而被转移。(然而，据我所知，尚无观察结果表明，染色体基因已通过水生环境或陆上环境中的转化而得以转移。)

可是几乎没有什么研究人员认为，如果将基因工程细菌放入环境中，通过转化进行的基因转移很可能很快接着发生。自然转化看起来似乎只在同种细胞之间发生，并且只有相当少的细菌种群才能够胜任转化：生物工程学家能够避免将这些种群的细菌用于基因工程。此外，虽然死去的细菌有时可能也释放出大量的DNA，而这些DNA被某些其他细菌吸收，但是这种DNA经常并不被作为完整无损的基因吸收。南佛罗里达大学的John Paul和他的同事已经证明，高浓度的无细胞细菌DNA能够在拂晓之后出现于河口处的水中，那时许多细菌一般都死去了并释放出它们的遗传材料。可是在一些实验室实验中，这些研究人员发现，由活细菌抢救的大多数释放的DNA被迅速地分解成供合成新DNA使用的组成部分：游离DNA中所含有的基因很少被保持原封不动。

从细菌到病毒，又从病毒回到细菌

与转化不同，水平基因转移的第三种形式一转导一能够在许许多多种细菌中发生。在转导中，噬菌体(感染细菌的病毒)从一个细菌细胞那里取得遗传材料并将它置于另一个细菌鲷胞中。

作为它们生命循环的一个组成部分，噬菌体附着到细菌上并注入它们的DNA。然后所注入的DNA便充当制造更多的这种噬菌体拷贝的一种蓝图。这些拷贝从受感染的细菌进发出来并进而感染其他细胞。然而，有时一些新的颗粒携带细菌DNA而非病毒DNA。实际上，噬菌体能够在宿主之间转移整个的质粒和一些染色体片断。(全部染色体太大，以致无法装进噬茵体。)一些实验室实验表明，某些噬菌体显然能够感染若干种细菌甚至若干类细菌，这种情况表明它们可以将细菌基因散布到它们最初接纳这些基因的场所之外的范围。

由于转导大概可能会导致一种外源基因广泛分散，因而我的同事和我集中对转导进行研究。最初，我们通过在Sayler发明的那种环境密封容器中收集细菌来发现转导转移。那种容器由两端装有过滤器的一根透明塑料管组成，这些过滤器允许水和营养物进入而防止细菌漏出。目前我们将透气塑料软管用于我们的实验。

在我们研究工作的基础上，我们已提出一个将遗传材料从引入细菌以转导一中介方式分散到自然界其他细菌的模型。简单地说，我们的模型指出，当一个携带新基因的细菌进入某一生境时，噬菌体便感染那个细胞并产生更多的噬菌体颗粒。如果任何颗粒都最终含有这种新基因，那么那种基因就能够被传给土著菌群。这种模型同样也适用于染色体和质粒DNA的转导。最近，我们已经设法证明这种情况实际上在淡水中得到实现。我们已从各种各样的湖泊中分离出细菌和噬菌体，并证明了细菌的确是通过那些环境中的转导转移来分享遗传信息的。

许多微生物学家最初都认为转导可能并不是在环境中基因交换的一种重要方式，因为它要求病毒和细菌—一两者都被认为是以较低浓度存在——相互作用。但是我的同事和我最近在淡水和海水中发现极高浓度的噬菌体(每毫升1000亿病毒颗粒)。这些观察结果已经造成对在噬菌体与它们的宿主之间发生的包括转导在内的相互作用频度的重新评估。

即使如此，目前的了解仍表明，在环境中由基因工程细菌进行的基因转导可能受到一些因素的严格限制。一个限制因素是，大多数噬菌体仅感染一种细菌，而非许多不同种类的细菌。另个限制因素是，大多数野生噬菌体只感染土生土长于噬菌体生境的细菌——而非遗传工程中所使用的实验室菌株。最后，分子生物学家还应该能够使基因改变细菌具备一些限制细菌DNA移动到另一种细菌上并在另一种细菌中能够存活的性状：这类限制已经在研制之中。

目前生物学家能够操纵几乎任何一种生物体的基因组成。除了应用于重组体细菌的制造之外，这项技术还正由农民用于培养抵抗各种病害的基因改造农作物[见《科学》1998年2期的“让水稻抗病”一文]。对于天然生境中细菌的集中研究表明，基因工程生物能够被安全地放入环境中，并且最为重要的问题是这种基因改造生物是否将从事要求它所干的工作。然而，谨慎小心仍有必要。随着对水平基因转移了解的进一步加深，环境生物工程学家应该获得将风险减至最低程度所需要的信息。

图1人们已经发现，生活在邻近水中岩石的粘土层即石面层(epflithon)中的细菌(左图)和其他地方的细菌之间发生由一种称为转导的过程所引起的基因转移。转导发生于某一噬菌体(细菌传染病毒)附着于细菌细胞并将其DNA注入细胞之后(左图a和b：显微照片觅右图)。在细菌内部，所注入的DNA进行复制(c)，细菌染色体分解(d)。通常，病毒DNA被封装入新的病毒颗粒中，这些新的病毒颗粒是从宿主爆发出来的(e)。但是在转导过程期间，有些颗粒携带细菌DNA(含有细菌基因)并将其传送给第二个细菌(f)，该细菌将所抢劫的DNA并入它的染色体中(g)。

图2通过接合，细菌能够转移质粒，即DNA的环状物。在革兰氏阴性菌中，一个供体细胞伸展出一个或多个突出物——菌毛．这些菌毛连接到一个受体细胞上并将两个细胞聚拢到一起(显微照片和a)。紧接着在细胞之间形成一座桥(本质上说是一个孔)。然后一根质粒DNA链进入到受体细菌(b)．并且每一根链重新变成双链(c)。随着这种转移完成，细菌便分离开(d)。革兰氏阳性菌中的接合(未示出)与上述情况相似，但是却是通过化学信号传输而非菌毛使这些细胞靠拢到一块的。

图3正在经历转化的细菌(a)取得从一个死去的细菌细胞所释放的游离基因。当该细菌表面上的DNA结合复合体接受DNA(b)时，一些酶使一条链断裂成核苷酸；与此同时另一链则可能并入细菌的染色体(b)。图中一个革兰氏阳性茵中所示的转化也可能发生于革兰氏阴性菌中，但是这种过程在这两种细菌中的任何一个种群中都不太普遍．