在微生物的隐形世界中，有一种微小的细菌拥有令人惊叹的超能力。科学家们亲切地称其为“康纳细菌”（Deinococcus radiodurans），它能够在几乎没有任何其他生命形式能够生存的环境中存活。它可以承受那种会将人类细胞撕裂成分子碎片的辐射。现在，科学家们认为他们已经理解了其非凡抵抗力的秘密——这一发现可能会在未来保护前往火星的宇航员。
来自西北大学和统一服务大学的化学家们揭开了受Deinococcus radiodurans启发的合成抗氧化剂MDP的工作原理。这种抗氧化剂形成复杂的分子结构，可以保护细胞免受辐射损伤。这一发现可能为太空任务和地球上的辐射紧急情况提供实用的辐射防护解决方案。
由三种简单成分构建的辐射屏蔽
由于其在极端条件下生存的非凡能力，Deinococcus radiodurans被称为“康纳细菌”。它可以承受比致死剂量高数千倍的辐射。MDP的力量源自三个简单的成分：锰离子、磷酸盐和一种合成肽。单独来看，每个成分提供的保护作用有限，但当它们结合在一起时，就能形成强大的辐射防御。
本质上，这种三部分组合反映了使Deinococcus radiodurans成为微生物奇迹的原因。这种细菌在其细胞中储存锰抗氧化剂以抵御辐射损伤。当科学家们根据这一天然蓝图在实验室中构建合成MDP时，他们注意到这些成分协同作用形成了远比任何单一成分更有效的结构。
“十肽依次与磷酸盐和锰相互作用，形成独特的三元复合物，”统一服务大学病理学教授Michael Daly在接受ZME Science的电子邮件采访时解释道。
辐射与蛋白质
数十年来，科学家们一直坚信辐射的致命效应是通过破坏DNA来杀死细胞的。这一理论将DNA损伤视为辐射破坏生物细胞的主要元凶。但DNA损伤只是整个画面的一半。像这样的研究表明，辐射还针对调控细胞生存的脆弱蛋白质。这些蛋白质统称为蛋白质组，执行诸如修复DNA损伤、维持细胞结构和调节细胞代谢等重要功能。当辐射生成有害分子如活性氧（ROS）时，蛋白质往往首当其冲。如果它们受损无法修复，细胞就无法正常运作，无论其DNA是否完好无损。
在Deinococcus radiodurans的情况下，这一原理表现得尤为明显。这种细菌之所以能抵御巨大的辐射剂量，是因为其蛋白质被锰基抗氧化剂保护。Daly及其同事发现，这些抗氧化剂在ROS对蛋白质组造成破坏之前将其中和。
一个重要的挑战是说服科学界接受新的辐射毒性范式：即细胞因辐射死亡主要是由于蛋白质损伤而非DNA损伤。对Deinococcus属的研究表明，蛋白质组是影响在辐射应激下生存的关键目标。这一理解的转变强调了保护细胞蛋白质以增强辐射抗性的的重要性，Daly说。
从火星梦想到地球保护
这一发现源于Hoffman和Daly多年来的合作，起因是对Deinococcus radiodurans如何在比火星更恶劣的条件下生存的困惑。Daly是极端微生物专家，长期研究这些微生物如何在行星间旅行或古代火星冰层中生存。
“我对极端微生物的兴趣始于童年时期，当时我订购了漫画书中宣传的‘海猴’。这些实际上是耐干燥的盐水虾，让我接触到了能够在极端条件下生存的生物体。这段早期经历激发了我对研究有韧性生命形式的终身兴趣，”Daly告诉我。
他们的先前研究显示，Deinococcus radiodurans在干燥和冷冻状态下可以承受高达140,000戈瑞的辐射剂量，这相当于致死剂量的28,000倍。在解码这一韧性的过程中，他们发现锰抗氧化剂起着核心作用。锰越多，抵抗力越强。
对于Daly而言，这一点非常明确。如果细菌可以利用锰基复合物来抵抗辐射，那么人类为什么不能呢？尤其是在宇宙射线不断轰击航天器的危险空间环境中，这个问题具有重大意义。
“在太空探索中，宇航员会长期暴露于来自宇宙射线和太阳质子的高剂量电离辐射。MDP提供了一种简单、成本效益高、无毒且可口服的解决方案，以减轻这些辐射风险。对于持续超过一年的火星任务，有效的辐射防护至关重要，这一事实已得到行业领导者的认可，”Daly说。
他设想未来前往火星的宇航员可能会服用辐射防护药片以确保他们在长途旅程中的安全。此外，这也意味着火星表面下可能存在本土微生物。毕竟，如果地球上的微生物可以在核反应堆内生存，那么外星微生物在火星上生存也并非不可能。宇航员在火星任务中可能受到的辐射剂量是地球上的700倍，但这对Deinococcus radiodurans或其他类似生物来说不过是小菜一碟。
在地球上，MDP也可能有同样重要的应用。它可以保护处理核事故的应急人员，或者提供一种使用辐射灭活病原体制备的“辐射预防剂”。Daly及其在杜克大学的同事们已经开发出一种用于预防衣原体感染的疫苗候选物，采用的就是这种方法。Daly还提到，鉴于辐射损伤与细胞衰老之间的联系，MDP可能有助于减缓衰老的影响。
命运的奇妙转折
这一发现的历程并非一帆风顺。专门从事光谱学的Hoffman承认，他是偶然进入这一领域的。
“我在这个领域没有任何经验或兴趣，但被一位老朋友拖入了对活体生物中锰的研究，”Hoffman说。尽管如此，他在电子顺磁共振光谱学方面的专长，使科学家们能够观察到完整细胞中的锰，这一点至关重要。
最初对MDP潜力持怀疑态度的Hoffman，在看到这些成分结合形成的复合物远超单个成分之和时感到惊讶。“让我惊讶的是，这些部分相互作用形成了三元复合物，而这就是‘秘诀’，”他告诉ZME Science。
这项工作的意义深远。从深空航行到核安全，能够保护细胞免受辐射损伤的能力是一项改变游戏规则的技术。虽然“康纳细菌”微不足道，但它的遗产可能会帮助人类迈向星辰大海——并且真正生存下来。
该研究结果发表在《美国国家科学院院刊》上。
(全文结束)
