“喂”自己“袋盐”的巨型细菌，“男默女泪”的埃及伊蚊……| 一周趣科学 Vol.2

科

牧心2024年01月06日约 9 分钟

科学新鲜报，早看早学到！在过去的一周里，科学界发生了哪些有趣又有料的新鲜事呢？让我们这就来一探究竟吧，话不多说，先看为敬~

巨型细菌如何获取能量？吃盐！

巨型细菌可以有多大？科学家在刺尾鱼的肠道内发现了一种细菌，称为费氏刺骨鱼菌（Ca. Epulopiscium viviparus），最大可以长到半厘米长，完全肉眼可见。

这种菌长得像一条潜水艇，虽然体型庞大，但可以在水中自由地前进和后退，反应非常迅速。

从传统意义上来理解，生物体的个头越大，它的运动应该会越笨重。那么，这种巨型细菌到底是如何获得这么多能量用以维持灵活运动的呢？

2023年12月28日，美国康奈尔大学的 Esther R. Angert等人在《美国国家科学院院刊》上发表了一项研究，揭秘了这一细菌是如何满足自己如此巨大的能量需求的。答案只有两个字：吃盐！

为了进行这项研究，科学家逮捕了一条刺尾鱼，并且提取到它肠道内的费氏刺骨鱼菌进行了基因组分析。分析结果表明，这种菌的细胞膜上存在一种使用钠离子（盐）动力来合成ATP的酶。

原来，在这种细菌所生活的鱼肠中，存在着大量的钠离子，这些钠离子有一种向细胞内扩散的趋势，这一现象被称为钠离子动力，就好像上游的水向下游流动的动力一样。

人类在河流上筑起水利发电厂，就可以收割水力进行发电；与此类似，细菌在自己的细胞膜上也筑起一道“钠离子大坝”，就可以利用钠离子作为动力来生产能量分子，从而维持自身的高机动性。

科学家们早就已经知道，包括人体在内的大多数真核生物中，也存在着类似的能量收获方式，只不过真核生物用的是氢离子动力，而此次研究的巨型细菌使用的是钠离子动力。

这也意味着细菌这一原核生物，与人类等复杂真核生物之间，在面对生存压力时也有一些微妙的默契。

图1 正在游泳的费氏刺骨鱼菌

（视频来源：PNAS.org）

课代表总结：巨型细菌，喂自己袋盐！

只用一招，让蚊子“男默女泪”

每年，数以亿计的人感染登革热、黄热病、基孔肯雅热和寨卡等虫媒病毒，这些病毒都主要是由臭名昭著的埃及伊蚊传播的。

传统的农药杀虫方法治标不治本，而且蚊子的抗药性也在增强；后来，科学家又发明了针对雄性蚊子的“放疗阉割法”——SIT技术，将经过放射性辐照的、失去生育能力的雄性蚊子放回自然界。

这些绝育蚊子占据了交配资源却留不下后代，于是防控蚊子的目的也就达到了。

但是SIT技术的缺点在于，这些经过放疗的雄蚊子不但被绝育了，也同时被辐射伤害到了身体，于是活力大减，竞争不过正常蚊子，导致这一方法效果打折。如果有什么方法能只绝育而不伤害身体功能就好了。

2023年12月28日，美国加州大学圣迭戈分校的Omar S. Akbari与合作者在《eLife》期刊上发表文章，给出了一招“夺命剪刀脚”，而被剪的对象，是蚊子的基因。

利用最新的CRISPR-Cas9技术，研究者精确地定向剪切了蚊子体内的一系列基因，目的是在维持雄性活力的同时将其绝育。这样一来，这些蚊子与普通蚊子竞争时完全不落下风，可以更好地起到控制蚊子种群的效果。

更妙的是，研究者在实现了雄蚊子绝育的同时，还实现了雌性蚊子“失活”。经过基因编辑之后，雌性蚊子的活力大打折扣，肚子也小了，翅膀也短了，也不爱飞了，也不爱吸血了。

这样一来，雄蚊子不育，可以有效控制种群数量；雌蚊子“打蔫”，可以降低蚊子对人类的侵扰，减少传染病的传播和蚊虫叮咬的烦恼。实验室研究印证了这一套组合拳的有效性。

图2 基因编辑过的蚊子可以在数代之内将产卵量下降到零（图片来源：elifesciences.org）

课代表总结：蚊子：“我虽然不是人，但你是真的……”

阳光是如何唤醒幼苗子叶的？

种子在土里萌发后，胚轴会迅速生长，争取早日破土而出，好让自己的子叶早一点见到阳光，进行自养生活。破土的过程中，子叶必须维持闭合状态，才能以近似锥子的形态顺利钻出来。

出土之后，植物幼苗要从破土前的“疯长”模式切换到“开叶”模式。感受到阳光之后，植物的子叶会被唤醒张开，从阳光中吸收能量，同时告诉自己的身体，不需要快速生长了，因为已经见到阳光了。

那么，阳光到底是通过什么手段来唤醒沉睡的子叶的呢？2024年1月2日，四川大学的林宏辉课题组在《科学·信号》杂志上发表的研究文章，为我们揭秘了拟南芥子叶唤醒过程中的关键信使：ATAF1基因和HY5基因。

原来，子叶并不是出土之后才急急忙忙张开的，这一切的准备工作在子叶出土前就已经做好了。

研究发现，阳光中的远红外线能够穿透较薄的土壤层，在幼苗还未完全出土的时候，就激活了植物中一种光敏色素phyA（有点类似于我们闭着眼但还是能感受到光），这一色素向幼苗发出指令：“我们快要出土了，准备停止生长，同时唤醒子叶，开工！”

而ATAF1基因就是专门负责传送这一指令的传令兵，它迅速在植物中表达，一面阻止胚轴的生长，一面通知子叶做好准备，确保在幼苗刚出土的一瞬间就会开放子叶。

在这个过程中，研究者还顺带发现了一个“辅助位”基因——HY5，如果没有它，那么ATAF1基因也无法正常完成自己的传令使命。

植物由于无法像动物一样趋利避害，所以逐渐演化出了非常复杂且精密的内部调控系统。随着研究的逐渐深入，植物与环境互作的秘密机制也将进一步被揭开。

图3 ATAF1基因和HY5基因突变会使子叶无法正常张开（图片来源：science.org）

课代表总结：能不能把这两个基因转到我的眼皮上，在早八时自动张开……

最小的三叶结可以小到什么程度？

54个原子

读者朋友，你会打结吗？翻花绳，系鞋带，中国结乃至口袋里的耳机线，都与打结这一人类传统手工艺息息相关。

用普通的绳子玩打结太简单，没有挑战性。20世纪末，科学家找到了一系列工艺，可以用单个的有机物分子当做线来“花式打结”，而且经过特殊设计的分子还可以“自己绑自己”，不用手动操作就自行转变成想要的结构。

这也激发了科学家的“好胜心”，争相开发出花式分子打结方法，从三叶结到四叶结，再到8字结、互锁三叶结，甚至盘长结（中国联通的logo），都可以用有机物分子打结来得到。21世纪以来，这场打结比赛进入到白热化阶段。

2024年1月2日，中国科学院大连物理化学研究所的李杲研究员与合作者在《自然》杂志上发表文章，宣告了他们的崭新成就：迄今为止最小、最紧密的自组装分子三叶结。

研究团队采用二乙炔二金与双膦分子构成自组装配体，优化反应条件以及结晶、提纯条件，形成了含有6个金原子的三叶结结构。

科学家用氢核磁共振谱验证了这一分子绳结的具体结构，发现这一结构的主干部分仅有54个原子，平均每个环上只有18个原子，这在打结界也是相当硬核的存在，因为分子结的大小会直接影响分子结的具体性能。

虽然很多科学研究的出发点都是兴趣使然，但研究分子打结除了满足好奇心之外，还有着更加重要的意义。因为人们发现，包括DNA和蛋白质在内的很多生物大分子，它们在发挥生物学功能时，都要依赖一些类似于打结的过程，例如DNA的复制以及蛋白质的合成等过程。

除此之外，分子结也在研发特殊性能的分子材料中发挥着重要作用，自组装分子打结也与智能化学密切相关。

图4 截至目前最小、最紧的分子三叶结（图片来源：nature.com）

课代表总结：李杲老师，是时候挑战一下中国结了！（大雾）

基于面容识别的遗传病诊断

继上一期的《一周趣科技》报道了利用机器学习进行“赛博算命”后，我们再次发现了机器学习的新应用场景：赛博看相。

上周，美国宾夕法尼亚大学的王凯研究组在论文预印本网站Arxiv上提交了一篇研究文章，报道了他们用机器学习和大模型的方法训练AI，通过面容来诊断孩子可能身患何种遗传缺陷疾病。

人体一共有23对染色体，包含了数万个基因，绝大多数的遗传病都与基因或者染色体的变异有关。很多遗传病都有着极低的发病率，这就导致医生在下诊断的时候可能根本不会考虑这些罕见遗传病，进一步导致误诊。

于是，研究人员让AI来帮忙解决这一问题。经过训练后的AI有一定的判断能力，如果AI认为孩子患某种罕见遗传病的概率较高，就会适当地提醒医生向这个方向考虑。

那么，如何训练这样的AI呢？人们已经知道，很多遗传缺陷都会影响人的面容，有些影响是非常细节的，肉眼难以分辨。但这恰好是机器学习AI的强项。

运用了449种遗传病案例及其面容做训练资料后，研究团队初步获得了基于面容识别的罕见遗传病诊断模型GestaltMML。这一AI模型的功能得到了初步验证，准确率最高可达91.15%。

为了进一步提高诊断的准确率，科学家将患者的临床信息（年龄、性别、种族、发病时间等）也提供给GestaltMML进行训练，模型的准确程度再次得到提高。

虽然罕见遗传病与普通人的关系不大，但对于患者来说，因为过于罕见，医生经验不足而无法正确诊断，而且由于无利可图，所以没人做药物开发，这无疑是雪上加霜。

这一模型的问世，有助于罕见遗传病的早发现，早诊断，早治疗，也进一步丰富了机器学习的应用场景，做出了开拓性的尝试。

图5 结合临床信息学习后，GestaltMML给出了准确的诊断（图片来源：参考文献5）

课代表总结：ChatGPT能做的，远远超出我们的想象力。

参考文献:

[1]David R. S. et al., The exceptional form and function of the giant bacterium Ca. Epulopiscium viviparus revolves around its sodium motive force. PNAS, December 28, 2023., 120 (52) e2306160120. https://doi.org/10.1073/pnas.2306160120

[2]Ming Li et al., Targeting Sex Determination to Suppress Mosquito Populations. eLife12:RP90199. https://doi.org/10.7554/eLife.90199.2

[3]Xiuhong Yao et al., Cooperative transcriptional regulation by ATAF1 and HY5 promotes light-induced cotyledon opening in Arabidopsis thaliana. Sci. Signal. 17, eadf7318(2024). DOI:10.1126/scisignal.adf7318

[4]Li, Z. et al. Self-assembly of the smallest and tightest molecular trefoil knot. Nat Commun 15, 154 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-023-44302-y

[5]Da W. et al., Multimodal Machine Learning Combining Facial Images and Clinical Texts Improves Diagnosis of Rare Genetic Diseases. arXiv:2312.15320[q-bio.QM]. https://doi.org/10.48550/arXiv.2312.15320

作者：牧心