在微生物的隐形世界中，有一种微小的细菌拥有惊人的超能力。科学家们亲切地称其为“细菌康纳”（Deinococcus radiodurans），它能在几乎没有任何生命形式能够生存的环境中存活下来。它能够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韧性的秘密——这一发现有朝一日可能会保护前往火星的宇航员免受严酷空间环境的影响。
来自西北大学和统一服务大学的化学家们揭示了一种受D. radiodurans启发的合成抗氧化剂的工作原理。这种抗氧化剂被称为MDP，形成一种复杂的分子结构，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盾牌
被称为“细菌康纳”的D. radiodurans具有极强的耐受极端条件的能力，能够承受比致死剂量高数千倍的辐射。MDP的力量源自一个简单的三重组合：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，就能形成一个强大的防御体系，抵御辐射的混乱冲击。
实际上，这种三部分组合反映了D. radiodurans成为微生物奇迹的原因。这种细菌在其细胞中储存了锰抗氧化剂，以抵御辐射损伤。当科学家们采用这一天然蓝图并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一个比任何单一成分都更强大的结构。
“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在电子邮件中向《ZME科学》解释道。
辐射与蛋白质
几十年来，科学家们一直坚信辐射的致命效应：它通过破坏DNA杀死细胞。这一理论将DNA损伤视为辐射破坏生物细胞的主要罪魁祸首。但DNA损伤只是画面的一半。像这样的研究显示，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，执行着修复DNA损伤、维持细胞结构和调节代谢等重要功能。当辐射生成有害分子——活性氧（ROS）风暴时，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多么完好无损。
对于D. radiodurans来说，这一原理表现得尤为明显。这种细菌能够抵御巨大的辐射剂量，因为其蛋白质被锰基抗氧化剂保护。Daly和他的同事们发现，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辐射毒性的新范式：辐射导致细胞死亡主要是由于蛋白质损伤而非DNA损伤。对D. radiodurans的研究表明，蛋白质组是影响辐射压力下生存能力的关键目标。这一理解的转变强调了保护细胞蛋白质以增强辐射抵抗的重要性，”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，始于D. radiodurans如何在比火星上更恶劣的条件下生存的谜团。Daly是极端微生物专家，长期研究这些微生物如何在星际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广告的‘海猴’。这些实际上是耐脱水的卤虫，让我接触到了能够在极端条件下生存的生物。这段早期经历激发了我毕生研究坚韧生命形式的兴趣，”Daly告诉我。
他们之前的研究表明，D. radiodurans在干燥和冷冻状态下可以承受高达140,000戈瑞的辐射——这一剂量是致死剂量的28,000倍。在试图解码这种韧性时，他们发现锰抗氧化剂起着核心作用。更多的锰意味着更强的抵抗力。
对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御辐射，为什么人类不能呢？特别是在宇宙射线不断轰击航天器的危险环境中，这个问题具有重大意义。
“在太空探索中，宇航员会受到来自宇宙射线和太阳质子的慢性高水平电离辐射。MDP提供了一个简单、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。对于持续一年以上的火星任务等长时间任务，有效的辐射防护至关重要——这一事实得到了行业领导者的认可，”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，以确保他们在漫长旅程中的安全。此外，另一个含义是火星土壤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，为什么火星上的外星微生物不能呢？宇航员在火星任务中可能受到的辐射剂量是地球上辐射剂量的700倍，但这对D. radiodurans或其他类似生物来说不过是小菜一碟。
在地球上，MDP也可能有同样关键的应用。它可以保护处理核事故的应急人员，或提供使用辐射灭活病原体制备的“辐射预防药物”。Daly及其在杜克大学的同事已经使用这种方法开发了一种预防衣原体感染的疫苗候选物。Daly还提到，鉴于辐射损伤与细胞衰竭之间的联系，MDP可能具有减缓衰老效果的潜力。
命运的奇妙转折
通往这一发现的旅程并非一帆风顺。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，也确实不感兴趣，但被一位老朋友拖进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，使科学家能够观察到完整细胞中的锰，证明了这一点至关重要。
最初对MDP的潜力持怀疑态度的Hoffman惊讶地发现，这些成分结合在一起形成了远大于其各个部分之和的东西。“令我惊讶的是，这些部分相互作用形成了三元复合物，而这正是‘秘方’，”他告诉《ZME科学》。
这项工作的意义深远。从深空航行到核安全，能够屏蔽细胞免受辐射损伤的能力是一个改变游戏规则的突破。虽然“细菌康纳”微不足道，但它的遗产可能帮助人类实现星际旅行——并真正生存下来。
该研究结果发表在《美国国家科学院院刊》上。
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