像大肠杆菌一样展示个性 大肠杆菌

　　大千世界，芸芸众生，人与人之间为何如此不同。外貌、体型、性格，更别说职业或者信仰，正如天空中繁星，每个人都在展示着自己的亮点。 　　从儿童到成年，人们呼吸的空气，沐浴的阳光，爱吃的食物……千差万别，种种不同造就了我们之间的差异：或许你是胖的，或瘦的；或许你是乐观的，或忧郁的；或许你能活到100岁，或许会英年早逝。这其中的差别也在于我们携带的基因，并且更多的时候，我们会认为个性是天生的，环境因素起的作用有限。这也是复制性克隆能让人如此兴奋的原因。试想，每个人的遗传背景都相同的话，那么就没必要进行基因研究了。但是，具有完全相同的基因却不能保证完全相同的两个人，因为你忽略了一点，生物体这个大机器的运转方式，基因并不能决定一切。
　　大肠杆菌或许可以告诉我们一些耐人寻味的道理。大肠杆菌，栖居在人和动物体的肠道中，婴儿出生后即随哺乳进入肠道，与人终生相伴。一个典型的大肠杆菌大概有4 000个基因（人类有20 000个），以二分裂法为主要繁殖方式：一个细菌细胞细胞壁横向分裂，形成两个子代细胞；基因组复制为两份，每个子代得到的基因完全相同。换句话说，这两个细菌是克隆的产物。在合适的生长条件下，细胞每分裂一次的时间是12.5～20.0分钟，可见生长和繁殖速度之快。因此，某个群体中亿万个大肠杆菌或许只来自于一个祖先，拥有同样的一套基因组。
　　基因组虽然完全相同，但大肠杆菌并不是毫无差异，同人类一样，它们也有自己的“指纹”。两个大肠杆菌克隆即使肩并肩地一起游动，一个可以一直旋转它那蜿蜒的尾巴，而另外一个会很快放弃前进。为了估算大肠杆菌的活力差异，美国已故科学家考斯兰特曾经把两个大肠杆菌克隆粘附在玻璃管上，随之给它们提供了一些美味的氨基酸，吸引它们向前游动。因为紧贴着管壁，尾巴被固定住，细菌只能在液体里旋转。考斯兰特教授发现，细菌旋转速度不仅各不相同，而且速度快的甚至是慢的两倍。
　　其实，差异还表现在大肠杆菌的方方面面。一些大肠杆菌会用披被的菌毛使自己粘附在寄主细胞上，而另一些体表却是光滑的。一些大肠杆菌会通过膜上专门的通道啜食乳糖，并用体内乳糖磷酸化酶使之分解。进入膜内的乳糖也可以解除抑制蛋白对乳糖通道和乳糖磷酸化酶相关基因的抑制，进一步提高其吸收能力。不过，还有一些大肠杆菌对乳糖不屑一顾，此类菌膜上的乳糖通道较少，不利于乳糖的吸收，从而不能解除蛋白的抑制作用，使乳糖通道和磷酸化酶相关基因处于关闭状态。
　　大肠杆菌习性的差异有时还决定了它们的生死。一个克隆群体中会有一些“英勇骁将”，它们分泌并释放出毒素分子，杀死周围亲缘关系较远的同类。幸福的是它们的同伴，没有竞争就得以存活。某些病毒会通过膜上的通道溜进大肠杆菌中，然后将其杀死。而在与其遗传背景完全相同的克隆中，却没有这种“受伤”的通道，因此，病毒的进攻对它们无可奈何。正常栖居条件下，大肠杆菌不致病，但若进入胆囊、膀胱等处就可引起炎症。对抗炎症的药物大多是抗生素，它能阻碍细菌基因和蛋白的正常表达和功能行使。不过，即使在易感的大肠杆菌群体里，多么威武的抗生素也不能使其全“菌”覆没。存活下来的细菌将具有对抗生素的耐药性，并且这些耐药细菌的后代大部分仍然是正常的细菌，但少数将继承它们耐药性的性状，并且可以由此反复繁殖，成为一个具有耐药性的菌落
　　为什么大肠杆菌的克隆群体会“性格迥异”呢？因为它是一个生物体，并不是一个简单的机器。比如电流可以平稳地穿过计算机或收录机里的线路，但在大肠杆菌的分子里就此起彼伏，无规律可寻，且不可预测。类似的是，大肠杆菌的基因表达情况也是难以捉摸的，或许瞬间内能产生大量的蛋白，但另一段时间里却一无所获。加利福尼亚理工学院物理学家洛维兹作了一个试验，他加了一些诱导物来刺激大肠杆菌产生乳糖消化酶，另转入一些基因使其在制造乳糖消化酶时，能够发出荧光。结果发现，群体间发光并不同步，时明时暗，真是“你方唱罢我登台”，点点荧光，像街上的霓虹，煞是好看。
　　科研人员发现，大肠杆菌对乳糖要求的不同、耐药性、被毛、细胞凋亡、对病毒的敏感性等，都和它这种无方向性的基因突变有关。问题的关键在于，为什么大肠杆菌基因会这样随机突变，使之演化出“性格迥异”的各种类型。
　　大肠杆菌通过广义的频繁突变，虽然有有害和无意义的突变，但是大量的突变也可以使自己的种群具有多样性，可以应付各种可能出现的问题。比如，细菌不会等到抗生素作用时，才向耐药的方向变异。否则，它在复制时就会被杀死。反而广泛变化能随机让一部分细菌具有耐药性。即使有抗生素的作用，至少其中一部分会存活下来。相反，没有抗生素的作用，大部分细菌会存活下来，并继续生长和繁殖。
　　相同的基因在大肠杆菌里有不同的表达，还因为DNA会被甲基化。甲基化决定基因表达或沉默，同时，甲基也可以从DNA上解离下来并且附着在新的位点上，从而发生不同的表达事件。诸多因素影响DNA的甲基化，比如营养、毒素……
　　作为一个典型的例子，大肠杆菌给那些把人类的个性仅仅归结于核苷酸编码的人，敲起了警钟。不仅是大肠杆菌，其他生物体，同样的基因，同样的遗传体系也会导致不同的命运。■
　　（责编桑新华）