《華爾街日報》：利用“環境DNA”從深海尋找新藥

科學家們利用遙控潛水器搭載的機械臂，在近400英尺深的海域採集了這種Muricea珊瑚樣本。此次探險旨在尋找可能具有藥用價值的化合物。圖片來源：FAU-HBOI/UVP-UNCW/NOAA海洋探索生物學家正與工程師合作開發新工具，以加速從海洋生物中提取藥物的研發進程，重點研發搭載DNA測序設備的遠洋機器人。

他們設想未來能部署大量自主潛水機器人，像電子獵犬般巡遊海洋，通過嗅探海水中動物DNA片段——然後收集並分析這種所謂的環境DNA（eDNA）。

目前已有十餘種藥物源自海綿、珊瑚等海洋無脊椎動物天然產生的化合物。生物學家表示，這些機器人能更便捷地採集棲息在偏遠珊瑚礁、海底峽谷和熱液噴口生物的樣本，從而加速更多藥物的研發。

他們認為，這類機器人最終或能通過分析採集的eDNA直接獲取合成化合物的基因編碼，從而完全跳過標本採集環節。

加州蒙特雷灣水族館研究所高級研究技術員科本·特魯洛夫表示：“終極目標是打造能採集環境DNA樣本、進行測序並將數據即時傳回實驗室的水下設備。我們希望建立一個網絡，讓這些自主設備在外採樣時能即時回傳數據。”

根據中西部大學海洋藥理學系編制的數據庫，已有超過1000種海洋生物衍生的化合物在醫學檢測中顯示出抗癌、抗病毒、抗真菌或抗炎活性。美國食品藥品監督管理局已批准15種源自海洋生物的藥物，包括用於治療慢性疼痛和高膽固醇的藥物。數據庫顯示，另有29種海洋動物源化合物正在進行臨牀試驗。

海洋無脊椎動物是生物醫學研究的重要目標，因為這些主要附着在海底且無法移動的生物，已發展出複雜的化學防禦機制來抵禦環境中的魚類、海龜和其他捕食者。研究表明，構成這些防禦機制的天然毒素對癌細胞和人類病原體具有毒性。

“這些海洋生物能產生多種不同的化學物質，有些是合成化學家從未想到的，”馬里蘭州弗雷德里克市國家癌症研究所分子靶點項目和天然產物部門主任巴里·奧基夫説道。研究人員還發現了與海洋無脊椎動物共生的細菌所產生的化合物。

科學家們表示，一旦獲得合適的eDNA樣本並完成測序，就能識別出這些生物可能產生的化合物。隨後，研究人員可以合成這些化合物並進行測試，以驗證其是否具有藥用特性。

“我們不是從化學物質本身入手，”加州拉霍亞斯克裏普斯海洋研究所的海洋化學生物學教授布拉德利·摩爾説，“而是從DNA開始，它能告訴我編碼生產這些化學物質的所有基因。”

收集環境DNA（eDNA）的方法有望比目前常用的海洋樣本採集方式更快速、成本更低。佛羅里達大西洋大學港灣分校海洋研究所天然產物研究組主任艾米·賴特將傳統方法比作"尋寶遊戲"。目前，科研船隻需進行長達數週的考察，派出配備爪狀抓取器和吸管的潛水器採集樣本。待潛水器攜樣本返回船隻後，研究人員會進行保存並送至實驗室進行基因組測序。

整套流程耗時數週且費用高昂。據美國國家科學基金會數據，僅科研船單日船員人工成本就達3.5萬美元。

擁有數百天海上科考經驗的賴特博士，期待eDNA技術帶來更高效率：“未來將出現能檢測萬物的傳感器。”

墨西哥灣考察中採集的海綿、珊瑚等海洋無脊椎動物樣本正被編號歸檔，供研究人員進行DNA與化學分析。圖片來源：FAU-HBOI/UVP-UNCW/NOAA海洋探索計劃基於此願景，特魯洛夫博士團隊研發了搭載eDNA處理設備的自主航行器。該設備學名為"環境樣本處理器"，被團隊暱稱為"罐頭實驗室"。這個長2.4米、重113公斤的設備完全開發後，將實現海上eDNA採集與測序一體化。數據會傳輸至太陽能驅動的衝浪板式通信浮台，再通過衞星或蜂窩網絡發送給岸上科學家。

“相比在船上作業，這項新興技術能讓你行動靈活得多，”特魯洛夫博士在談及該技術時表示，“但要完善它，我們仍需數年時間。”

特魯洛夫博士及其他參與環境DNA技術研發的學者面臨着多重挑戰。

由於大量前景看好的化合物最終被證實無效，研發資金籌措成為難題。

“自然界中約千分之一的分子可能具備開發成藥物的資格，”斯克裏普斯海洋研究所傑出海洋化學教授威廉·費尼卡爾表示，他是抗癌藥物馬利佐米（目前處於臨牀試驗階段）的海洋細菌共同發現者，“成功率不足1%。誰來承擔這筆費用？”

為維持研究，科學家和工程師通常依賴聯邦科研撥款。製藥公司的資金僅在確定潛在候選藥物後才會注入，而這一過程可能耗時數十年。

從事環境DNA研究的學者同時警告，獲取適用於鑑定藥用化合物的環境DNA樣本存在難度——部分原因是遺傳物質在海水中的降解週期僅為數日。

部分科學家認為，發現更多海洋藥物的關鍵不僅需要採集標本或其環境DNA，更需觀察生物在自然棲息地的生存狀態——包括它們與周邊環境及其他生物體的化學互動。例如，海綿可能僅在特定環境條件下或遭遇天敵威脅時才會產生特定化合物。科學家指出，瞭解這些化合物產生的機制和時機對分離具有藥用價值的成分至關重要。

“我們需要在原位研究這些相互作用，因為在實驗室裏幾乎無法複製它們，”蘇格蘭斯特拉斯克萊德大學海洋微生物生態學高級講師凱瑟琳·鄧肯表示。

特魯洛夫博士稱，其完全開發的eDNA採樣器載具可能需要十年才能投入運行。他表示，在三年左右的時間內，早期版本的此類載具或能通過快速識別海底可能有前景生物棲息的區域，推動海洋生物衍生藥物的研發。這意味着在派遣載具下潛採集樣本並送回實驗室分析前，能大幅縮短尋找目標生物的時間。

特魯洛夫博士指出，利用eDNA尋找生化熱點讓研究人員"在實際理解海洋動態時擁有更大靈活性。如果發現感興趣的目標，三小時內就能作出響應。這將帶來重大改變。"

致信埃裏克·尼勒，郵箱：[email protected]

本文發表於2022年9月8日印刷版，標題為《深海尋藥新途徑》。