《华尔街日报》：利用“环境DNA”从深海寻找新药

科学家们利用遥控潜水器搭载的机械臂，在近400英尺深的海域采集了这种Muricea珊瑚样本。此次探险旨在寻找可能具有药用价值的化合物。图片来源：FAU-HBOI/UVP-UNCW/NOAA海洋探索生物学家正与工程师合作开发新工具，以加速从海洋生物中提取药物的研发进程，重点研发搭载DNA测序设备的远洋机器人。

他们设想未来能部署大量自主潜水机器人，像电子猎犬般巡游海洋，通过嗅探海水中动物DNA片段——然后收集并分析这种所谓的环境DNA（eDNA）。

目前已有十余种药物源自海绵、珊瑚等海洋无脊椎动物天然产生的化合物。生物学家表示，这些机器人能更便捷地采集栖息在偏远珊瑚礁、海底峡谷和热液喷口生物的样本，从而加速更多药物的研发。

他们认为，这类机器人最终或能通过分析采集的eDNA直接获取合成化合物的基因编码，从而完全跳过标本采集环节。

加州蒙特雷湾水族馆研究所高级研究技术员科本·特鲁洛夫表示：“终极目标是打造能采集环境DNA样本、进行测序并将数据实时传回实验室的水下设备。我们希望建立一个网络，让这些自主设备在外采样时能实时回传数据。”

根据中西部大学海洋药理学系编制的数据库，已有超过1000种海洋生物衍生的化合物在医学检测中显示出抗癌、抗病毒、抗真菌或抗炎活性。美国食品药品监督管理局已批准15种源自海洋生物的药物，包括用于治疗慢性疼痛和高胆固醇的药物。数据库显示，另有29种海洋动物源化合物正在进行临床试验。

海洋无脊椎动物是生物医学研究的重要目标，因为这些主要附着在海底且无法移动的生物，已发展出复杂的化学防御机制来抵御环境中的鱼类、海龟和其他捕食者。研究表明，构成这些防御机制的天然毒素对癌细胞和人类病原体具有毒性。

“这些海洋生物能产生多种不同的化学物质，有些是合成化学家从未想到的，”马里兰州弗雷德里克市国家癌症研究所分子靶点项目和天然产物部门主任巴里·奥基夫说道。研究人员还发现了与海洋无脊椎动物共生的细菌所产生的化合物。

科学家们表示，一旦获得合适的eDNA样本并完成测序，就能识别出这些生物可能产生的化合物。随后，研究人员可以合成这些化合物并进行测试，以验证其是否具有药用特性。

“我们不是从化学物质本身入手，”加州拉霍亚斯克里普斯海洋研究所的海洋化学生物学教授布拉德利·摩尔说，“而是从DNA开始，它能告诉我编码生产这些化学物质的所有基因。”

收集环境DNA（eDNA）的方法有望比目前常用的海洋样本采集方式更快速、成本更低。佛罗里达大西洋大学港湾分校海洋研究所天然产物研究组主任艾米·赖特将传统方法比作"寻宝游戏"。目前，科研船只需进行长达数周的考察，派出配备爪状抓取器和吸管的潜水器采集样本。待潜水器携样本返回船只后，研究人员会进行保存并送至实验室进行基因组测序。

整套流程耗时数周且费用高昂。据美国国家科学基金会数据，仅科研船单日船员人工成本就达3.5万美元。

拥有数百天海上科考经验的赖特博士，期待eDNA技术带来更高效率：“未来将出现能检测万物的传感器。”

墨西哥湾考察中采集的海绵、珊瑚等海洋无脊椎动物样本正被编号归档，供研究人员进行DNA与化学分析。图片来源：FAU-HBOI/UVP-UNCW/NOAA海洋探索计划基于此愿景，特鲁洛夫博士团队研发了搭载eDNA处理设备的自主航行器。该设备学名为"环境样本处理器"，被团队昵称为"罐头实验室"。这个长2.4米、重113公斤的设备完全开发后，将实现海上eDNA采集与测序一体化。数据会传输至太阳能驱动的冲浪板式通信浮台，再通过卫星或蜂窝网络发送给岸上科学家。

“相比在船上作业，这项新兴技术能让你行动灵活得多，”特鲁洛夫博士在谈及该技术时表示，“但要完善它，我们仍需数年时间。”

特鲁洛夫博士及其他参与环境DNA技术研发的学者面临着多重挑战。

由于大量前景看好的化合物最终被证实无效，研发资金筹措成为难题。

“自然界中约千分之一的分子可能具备开发成药物的资格，”斯克里普斯海洋研究所杰出海洋化学教授威廉·费尼卡尔表示，他是抗癌药物马利佐米（目前处于临床试验阶段）的海洋细菌共同发现者，“成功率不足1%。谁来承担这笔费用？”

为维持研究，科学家和工程师通常依赖联邦科研拨款。制药公司的资金仅在确定潜在候选药物后才会注入，而这一过程可能耗时数十年。

从事环境DNA研究的学者同时警告，获取适用于鉴定药用化合物的环境DNA样本存在难度——部分原因是遗传物质在海水中的降解周期仅为数日。

部分科学家认为，发现更多海洋药物的关键不仅需要采集标本或其环境DNA，更需观察生物在自然栖息地的生存状态——包括它们与周边环境及其他生物体的化学互动。例如，海绵可能仅在特定环境条件下或遭遇天敌威胁时才会产生特定化合物。科学家指出，了解这些化合物产生的机制和时机对分离具有药用价值的成分至关重要。

“我们需要在原位研究这些相互作用，因为在实验室里几乎无法复制它们，”苏格兰斯特拉斯克莱德大学海洋微生物生态学高级讲师凯瑟琳·邓肯表示。

特鲁洛夫博士称，其完全开发的eDNA采样器载具可能需要十年才能投入运行。他表示，在三年左右的时间内，早期版本的此类载具或能通过快速识别海底可能有前景生物栖息的区域，推动海洋生物衍生药物的研发。这意味着在派遣载具下潜采集样本并送回实验室分析前，能大幅缩短寻找目标生物的时间。

特鲁洛夫博士指出，利用eDNA寻找生化热点让研究人员"在实际理解海洋动态时拥有更大灵活性。如果发现感兴趣的目标，三小时内就能作出响应。这将带来重大改变。"

致信埃里克·尼勒，邮箱：[email protected]

本文发表于2022年9月8日印刷版，标题为《深海寻药新途径》。