智利阿塔卡马沙漠下发现1.9万年微生物生态圈 甚至还与火星有关

智利阿塔卡马沙漠下发现1.9万年微生物生态圈 甚至还与火星有关 智利北部的阿塔卡马沙漠是世界上最干旱的非极地沙漠，这里的动植物种类极少。由于通常十年才降一次雨，这片沙漠非常干燥，以至于美国国家航空航天局（NASA）将其作为火星地貌的替身。但是，在这干涸的地表下生活着什么呢？新的研究表明，它非常小，数量非常多，而且非常古老。虽然阿塔卡马沙漠的干旱意味着高等生物稀少，但众所周知，多种多样的细菌在这里的土壤中占主导地位。不过，研究人员的目标是深入研究，看看地表下一米多（3.3 英尺）的地方生活着哪些种类的微生物。阿塔卡马沙漠最干燥的地方之一永盖山谷（Yungay Valley）一个龟裂的洼地 卢卡斯-霍斯特曼/德国波茨坦联邦理工学院他们选择的地点位于云盖山谷的一个普拉亚（playa）地区，这是沙漠超干旱核心地区最干旱的地方之一。普拉亚是曾经包含地表水体的洼地或盆地；它们本质上是干涸的湖床。在其他地方，矿物石膏和无水石膏通常靠近地表，在上部 50 厘米/20 英寸的范围内，而在普雷亚地区，它们被埋在大约 2 米/6.6 英尺的深处。相反，无水石膏遇水后会转化为石膏。当他们挖掘到地下 4.2 米/13.8 英尺深处时，研究人员发现了石膏、无水石膏和海绿石（俗称岩盐）等盐类堆积物，以及阳离子（钠、钙）和阴离子（硫酸盐、硝酸盐、氯化物）。根据地下深度绘制的矿物、阳离子和阴离子丰度图 Horstmann 等人研究人员说："深度为 184 厘米（72.4 英寸）的剖面上半部分主要由淤泥沉积物组成，间或有薄沙层。在 184 厘米至 230 厘米（90.6 英寸）深度之间，沉积物过渡到较粗的质地，包括沙子和卵石。在 230 厘米以下，剖面始终包含[原文如此]卵石至鹅卵石大小的颗粒"。他们使用无脊椎动物衍生 DNA（iDNA）分析，并将其与地球化学分析（X 射线衍射和离子色谱法）进行比较，以研究地下的微生物学。基因测序揭示了不同地层中丰富多样的微生物群落。大部分序列被归类为细菌；0.5%为古细菌，古细菌是一种结构与细菌相似但在进化过程中截然不同的单细胞微生物。古细菌被认为是介于细菌和真核生物或含有 DNA 的细胞含有独特细胞核的生物之间的一个古老群体。三个细菌群（门）占主导地位，占遗传序列的 90% 以上：放线菌属（Actinobacteria）、固形菌属（Firmicutes）和变形菌属（Proteobacteria）。不同地下深度的微生物组成在深度为 2 至 5 厘米（0.8 至 2 英寸）的最上层沉积物中，放线菌占微生物总数的 95%。固着菌的比例很高，从 40 厘米/15.7 英寸深度的 47% 到 30 厘米/11.8 英寸深度的 93%。只有在 70 厘米/27.6 英寸处，才出现了较低的固着菌相对丰度（34%），在 200 厘米/78.7 英寸以下则明显下降。在 200 厘米以下的沉积物中，微生物群落仍然以放线菌为主，深度达 4.2 米。从生态学角度看，洼地沉积相对较新；沉积开始于大约 1.9 万年前。然而，冲积层沉积的年代要久远得多，4.2 米的深度可以追溯到 380 万年前。研究人员认为，他们发现的放线菌群落可能在"早期"就已经在土壤中定植，然后被埋藏在冲积层下。这可能意味着，此前未知的深层生物圈将在极度干旱的沙漠土壤中无限向下延伸。链霉菌是最大的放线菌属 疾病预防控制中心/戴维-贝尔德博士该研究最引人注目的发现之一是，微生物出现在 200 厘米以下的沉积物中，在这些沉积物中，洼地过渡到由河道或冲积平原上沉积的砾石、沙、粉砂或粘土组成的冲积层。原以为这些深度的微生物多样性和丰度会较低，但事实并非如此。在阿塔卡马沙漠，石膏已经被证明可以支持微生物群落。研究人员认为，在这里，较深的石膏沉积物通过提供水分或增加沙漠高干旱土壤的保水性，在微生物多样性方面发挥了至关重要的作用。研究人员说："尽管石膏在所有沙漠的次表层可能并不普遍，但这种次表层生态位的存在可能表明，全球沙漠的多样性迄今被低估了，在特定情况下，次表层群落可以在地球上最干旱地方的最深层持续存在。这项研究对寻找地球以外的嗜极端生物具有重要意义"。文章开头提到，美国国家航空航天局把阿塔卡马沙漠作为火星的代表。那么，火星也有石膏矿床。那么，火星上的石膏会不会也是火星上微生物生命的水源呢？该研究发表在《PNAS Nexus》杂志上。 ... PC版： 手机版：

尖头不锈钢和铜可代替抗生素以物理形式消灭细菌

尖头不锈钢和铜可代替抗生素以物理形式消灭细菌 佐治亚理工学院的研究人员对这样的数字感到担忧是可以理解的，他们开始用机械方法而不是化学方法来对付 AMR。特别是，他们试图对付大肠杆菌、霍乱和沙门氏菌等革兰氏阴性菌，因为这些细菌含有一种保护性胶囊，使它们特别擅长对抗传统抗生素。该研究的第一作者 Anuja Tripathi 说："不使用化学品杀死革兰氏阳性细菌相对容易，但由于革兰氏阴性细菌的细胞膜厚且多层，因此对付它们是一个巨大的挑战。如果这些细菌持续存在于物体表面，它们就会迅速生长。我的目标是开发一种不含抗生素的杀菌表面，它能有效对抗革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌。"这项研究由佐治亚理工学院化学与生物分子工程学院的博士后学者 Anjua Tripathi 领导特里帕蒂的团队利用电化学工艺蚀刻不锈钢表面，制造出成千上万个微小的微钉。然后，他们再次利用电化学方法将铜离子粘合到钢表面。结果，这种材料可以从两个方面消灭 AMR 病原体。尖刺撕碎了它们的保护外膜，而铜自古埃及时代起就以抗菌著称则进一步降解了它们的细胞膜。在测试中，钢和铜材料减少了 97% 的革兰氏阴性大肠杆菌，减少了 99% 的革兰氏阳性表皮葡萄球菌。实验表明，这种材料只需 30 分钟就能达到上述效果。事实上，新材料只含有一层很薄的铜，这意味着它避免了材料的高成本，从而使新的钢/铜组合保持在可承受的范围内。而且，由于它能用尖刺刺碎细菌，因此可以防止虫子演变成逃避死亡的手段，而化学处理方法却可以做到这一点。这已经不是我们第一次看到利用机械方法粉碎抗性细菌的材料了。仅在今年，我们就报道过一种受蜻蜓翅膀启发的尖刺钛材料，它能粉碎一种常见的呼吸道病毒；还报道过一种纳米晶体上的尖刺，它能在光照下旋转，将细菌切碎。佐治亚理工学院的这项研究在铜的基础上更进一步，而根据卫生机构关于 AMR 的可怕警告，我们真的有足够的办法来对抗超级细菌的攻击吗？这项研究发表在《小型》杂志上。 ... PC版： 手机版：

科学家发明冷等离子喷射敷料 专注于慢性伤口治疗

科学家发明冷等离子喷射敷料 专注于慢性伤口治疗 为此，南澳大利亚大学（Uni SA）的研究人员研究了一种控制感染和促进愈合的新技术：一种由冷等离子电离气体激活的水凝胶。该研究的通讯作者 Endre Szili 说："抗生素和银敷料常用于治疗慢性伤口，但两者都有缺点。抗生素的抗药性不断增加是一个全球性挑战，银引起的毒性也令人十分担忧。在欧洲，银敷料正逐渐被淘汰。"以前的研究已经证明了使用冷等离子电离气体促进伤口愈合的好处，即减少细菌负荷，并通过激活环境空气中的氧分子和氮分子产生活性氧和氮物种（RONS）。到目前为止，水凝胶在涂抹到伤口上之前已被等离子体产生的 RONS 所负载，但这一过程并不完美。"尽管最近在使用等离子活化水凝胶疗法（PAHT）方面取得了令人鼓舞的成果，但我们在为水凝胶加载临床使用所需的足够浓度的 RONS 方面仍面临挑战，"Szili 说。"我们采用了一种新的电化学方法来增强水凝胶的活化，从而克服了这一障碍。"研究人员使用聚乙烯醇（PVA）制作了水凝胶，因为这种凝胶已被广泛批准用于医疗保健领域，而且具有出色的机械和生物相容性。用氦等离子喷射器处理 PVA 水凝胶，使其活化，产生 RONS。8% 的 PVA 水凝胶被确定为 PAHT 敷料的最佳选择，因为它可以很容易地被等离子体产生的 RONS 激活，同时保持其结构完整性、保形性和膨胀能力。研究人员将水凝胶置于铝板上方，使等离子体羽流在处理过程中与水凝胶保持接触，然后比较了两种技术，以了解是否可以通过电化学方法提高 RONS 的产生：一种是通过断开铝板与接地导线的连接使水凝胶保持"浮动电位"，另一种是将水凝胶"接地"。a)"浮动电位"和 b)"接地"配置下处理过程中的等离子射流照片 萨布林等人将等离子处理过的水凝胶培养三小时，研究过氧化氢（H2O2）和氧化亚氮（NO2-）的释放情况，这两种物质分别被用作总活性氧（ROS）和活性氮（RNS）的标记。研究人员发现，在等离子处理过程中将水凝胶接地可显著提高H2O2的产生，而在处理过程中对凝胶进行水合处理可进一步提高H2O2的产生。此外，等离子射流-水凝胶界面的湿度与H2O2生成的增加密切相关。至于 NO2-，接地增加了湿度的产生，而水合的影响可以忽略不计。在体外实验中，这种水凝胶能非常有效地控制大肠杆菌和绿脓杆菌的生长，而这两种细菌是糖尿病足溃疡中常见的细菌。研究人员表示，虽然这项研究的重点是糖尿病伤口，但该技术可用于治疗所有慢性伤口和内部感染。Szili说："我们的PAHT技术的一大优势是，它可用于治疗所有伤口。这是一种环保安全的治疗方法，它利用空气和水中的天然成分来制造活性成分，活性成分会降解为无毒和生物兼容的成分"。下一步是进行临床试验，以优化电化学技术，用于治疗人类患者。今后，研究人员将研究如何利用这项技术，通过激活注入人体的水凝胶中的药物来治疗癌症肿瘤。Szili说："活性成分可以长期输送，改善治疗效果，并有更大的机会穿透肿瘤。血浆在医疗领域有着巨大的潜力，而这只是冰山一角。"这项研究发表在《先进功能材料》杂志上。 ... PC版： 手机版：

他耗资4000万美元造出新细菌 又想创造新生命

他耗资4000万美元造出新细菌 又想创造新生命 只有当我们能够去创造生命的时候，才可能真正理解生命的本质，这也是生命科学领域研究一直想要做到的事。那么，我们该如何去创造生命？生命科学领域中的一个基本规则是“中心法则”，即遗传信息可以从 DNA 复制自身，同时也可以传递给 RNA，并由RNA传递给蛋白质，完成遗传信息的转录和翻译过程，这个过程就是创造生命的过程。因此从理论上说，只要我们能够创造出 DNA，就有可能实现人工创造生命，进而深入理解生命的本质。人类的“人造生命”发展史人造生命是指从其他生命体中提取基因，建立新的人工染色体，随后将其转入已被剔除了遗传物质的细胞中，最终由这些人工染色体控制这个细胞，发育变成新的生命体。人造生命的发展历程虽然较短，却充满着创新和突破。1953 年，沃森和克里克提出了著名的 DNA 双螺旋结构模型，从此开启了分子生物学时代。到了 20 世纪 70 年代，赫伯特·博耶和斯坦利·科恩分别实现了限制性内切酶对双链 DNA 的剪切，以及质粒 DNA 到大肠杆菌的转入，这两项创新成果标志着基因工程的诞生。随后，桑格发明的 DNA 测序技术实现了 DNA 序列的精确“阅读”。接着，保罗·伯格和沃尔特·吉尔伯特通过开发分子克隆技术，进一步促进了重组 DNA 技术的发展。这些突破性的技术都为人造生命的研究奠定了重要基础。其中，2010 年 5 月由美国生物学家克雷格·文特尔团队取得的成就标志着人造生命领域的一次重大突破。他们在实验室中通过化学合成了一整个基因组，随后将这个合成基因组植入到一个空细胞中。这个细胞随后根据植入的基因指令开始自我复制和增殖，最终形成新的细胞。尽管有些科学家持有保留意见，认为文特尔的成果只是以一个自然的、先前存在的残留细胞为基础的，并没有创造出真正的生命，但他的实验仍然证明了人造基因组可以为细胞提供动力，这为未来真正的人造生命提供了重要的启示。人造生命的科学狂人：克雷格·文特提到人造生命，就不得不提这一领域的泰斗、科学狂人克雷格·文特。他是美国著名的生物学家和企业家，以在科学界的重大成就而闻名。他的成就包括“一人单挑六国科学家，完成人类基因组计划”和“制造新生物”，这两项工作都是震撼全世界科学界的突破。“科学狂人”克雷格·文特（图片来源：克雷格·文特研究所官网主页）20 世纪 90 年代，由美国、英国、法国、德国、日本和中国等 6 个国家的顶级科学家共同参与人类基因组计划，预计花费 30 亿美元来完成人类基因组测序。然而，当时间和花费过半时，他们却仅完成了 3% 的测序工作。与此同时，克雷格·文特成立了塞莱拉基因公司，一个私营性质的基因研究机构，开发了如“霰弹枪”的新型测序技术，并迅速追上了多国合作小组的进度。后来，克雷格·文特与六国科学家合作，于 2001 年初成功完成了人类基因组草图。在人类基因组计划完成后，克雷格·文特很快就有了新的理想，这个理想可能是生命科学的终极目标：创造新的生命形式。克雷格·文特计划利用 DNA 小片段，合成新的基因组，并将其转入已经被剔除了本身基因组的细菌之中，观察这微小的细菌能否进行新陈代谢和繁殖。经过研究团队十几年不懈的努力，耗资超过 4000 万美元，克雷格·文特研究团队终于在 2010 年创造出全新的细菌。克雷格·文特认为，“这是地球上第一个，父母是电脑却可以进行自我复制的物种。”目前，克雷格·文特又展开了一系列新的研究，他把自己的游艇改装成研究船，带领团队成员远征百慕大群岛附近的马尾藻海，希望就地取材，绘制出该海域生态系统中所有微生物的基因组图谱。克雷格·文特的终极目标是利用海洋中寻找到的基因，设计出全新的生命形式。这些生命将具备捕获二氧化碳、遏制温室效应的能力，还能清理核废料，并产生大量氢原子。这项全新生命形式的发展将有望改变全球能源经济的现状。克雷格·文特的研究旅程从人类基因组测序，到人工合成细菌，再到从海洋中寻找有益基因以设计全新生命，始终贯穿一个主线：从基因到生命。无论是认识基因、合成基因，或是寻找新基因，克雷格·文特所有研究都是为创造生命绘制蓝图，最终实现人造生命的使命，回答了“科学真的可以创造生命”这一重要命题。酵母人工染色体合成的突破之路细菌和酵母分别是原核和真核生物的典型代表，能够合成这两者的基因组，就能为合成生命奠定重要的理论基础，丰富人造生命的知识储备。作为原核生物的细菌，科学家合成其基因组并创造全新的生命尚且花费了十几年的时间。那么作为真核生物的酵母，其基因组有 16 条染色体，合成的复杂性和难度可想而知。为此，国际上发起了酵母基因组合成计划（Sc2.0），这是人类首次尝试对真核生物的基因组进行从头设计合成，旨在重新设计并合成酿酒酵母全部 16 条染色体。该项目于 2011 年启动，由来自中国、美国、英国、新加坡、澳大利亚等国的超过 200 位科学家共同参与。研究人员在从头合成酵母基因组序列的过程中面临了诸多挑战。由于酵母基因组中存在大量重复序列，他们去除了转座子和重复元件，并重新编码终止密码子。同时，研究人员对基因序列进行了碱基删除、插入和替换的工作，确保合成菌株与天然菌株的表型相同的同时，也保证了基因组的稳定性。2017 年《Science》封面展示的酵母基因组结构模型，其中金色代表已经完成全合成的染色体；白色代表天然染色体 （图片来源：《Science》官网）根据以上原则和标准，2014 年，纽约大学的 Jef Boeke 教授领衔的研究团队成功创建出了第一条人工酵母染色体最小的 3 号染色体。这一成果开启了真核生物基因组合成的先河。到 2017 年，Sc2.0 团队完成了人工合成酵母基因组 16 条染色体中的 5 条，其中 4 条由中国科学家完成。具体来说，天津大学元英进院士团队负责了 5 号和 10 号染色体的合成；清华大学戴俊彪研究员团队负责 12 号染色体的设计合成；华大基因杨焕明院士团队负责酵母 2 号染色体的从头设计与全合成。到了 2023 年，Sc2.0 计划迎来新的里程碑式突破，华大基因沈玥研究员团队完成酵母 7 号和 13 号染色体的从头设计与全合成，以及 tRNA 新染色体的构建。这标志着酵母的全部 16 条染色体的合成工作已圆满完成。此外，该团队还成功构建了一种包含 50%合成 DNA 的酵母菌株，这种酵母菌株不仅能够活跃增殖，还展现了正常的细胞形态、长度和形状。2023 年《Cell》发表文章描述了酵母染色体的整合过程：将含有不同合成染色体的酵母细胞进行杂交，在后代中寻找携带两条合成染色体的个体，经过漫长的杂交过程，科学家们逐渐将他们先前合成的所有染色体（6 条完整染色体和 1 条染色体臂）整合到同一个细胞中（图片来源：参考文献[5]）参与酵母基因组合成计划的中国科学家代表，从左到右依次为：李炳志、戴俊彪、杨焕明、元英进、沈玥（图片来源：人民日报）人造细胞再升级：逼近真实活细胞人工合成细菌和酵母主要解决基因组合成的问题，然而活细胞执行功能主要还是依靠蛋白质。2024 年 4 月 23 日，美国科学家在《自然·化学》（Nature Chemistry）杂志上发表了一项最新研究成果，他们通过操纵 DNA 和蛋白质，创造出类似人体细胞的人造细胞，这一成果对再生医学、药物输送和诊断工具等领域具有重要意义。细胞支架是细胞内部的重要支架结... PC版： 手机版：