微生物竟然能“作畫” 不同菌種產(chǎn)生不同顏色

微生物大家理解的是什么呢？你第一時間會想起什么？是致人死亡的疾病，還是有益于腸道健康的菌群？在科學家的眼中，微生物有了另一個用途：“畫畫”的好材料。

色彩絢麗的嫦娥奔月圖、季節(jié)變換春夏秋冬四季景色……近日，沈陽藥科大學生命科學與制藥學院的學生們在老師的指導下，以培養(yǎng)皿做畫布，微生物做“顏料”，完成了一幅幅精美的藝術(shù)作品——其實，這些絢麗的色彩，是微生物自己“長”出來的。

別小看了這小小的微生物畫作，它鏈接起了科學研究鏈條的兩端，既能培養(yǎng)學生對學習本專業(yè)的興趣，也可以在高大上的論文中扮演重要角色。

不同菌種產(chǎn)生不同顏色

直徑9厘米的培養(yǎng)皿、按照流程消毒后的實驗器材、稀釋后的土壤標本……準備好這些材料，可以開始繪制一幅“畫作”了。近日，沈陽藥科大學生命科學與生物制藥學院上演了一幕別開生面的畫展：利用微生物作畫。

在培養(yǎng)皿里，各種不同的菌株搖曳多姿，或是散落滿地的潔白冰花，或呈現(xiàn)一片春花盛開的景色，或者是模仿秋天落葉的一片金黃；除了景色，九色鹿、蒙娜麗莎甚至校園的大門……紅色的紅球菌，黃色的黃桿菌，橙色的橙色單胞菌，白色的芽孢桿菌，有綠色絨毛的青霉菌，還有能產(chǎn)生各種顏色色素的鏈霉菌等等微生物，將它們的藝術(shù)之美演繹得淋漓盡致。

該校負責此次比賽的穆老師介紹，微生物作畫的原理其實就是菌種的培養(yǎng)，從自然環(huán)境中找到合適的菌種，根據(jù)它們自身不同的顏色，利用無菌操作等方式，讓菌種長成一幅漂亮的畫。

菌株想要長成一幅畫，最大的難點是對“顏料”的提純。一旦混入了其他細菌或者純化程度不足，就無法取得預料之中的色彩。想要解決這個問題，就必須按照科學研究的規(guī)律和實驗規(guī)范來進行操作。

“實驗室中各個步驟的無菌操作是對同學們的第一大要求。”沈陽藥科大學生命科學與制藥學院副院長、教授張怡軒介紹說，而參加本次畫展的每一位同學，都嚴格遵守了實驗要求：首先，實驗中使用的培養(yǎng)皿、竹簽等都要先經(jīng)121℃高溫高壓濕熱滅菌30分鐘才能使用；其次，操作前要先將工作臺空間中的微生物紫外照射30分鐘殺滅，操作過程中也要避免微生物的侵入；最后，工作臺上一直要吹動過濾過的無菌風，同時燃著酒精燈形成無菌區(qū)域。在此三重無菌保障下，一幅幅美麗的作品才能誕生。

從指導學生學習操作規(guī)范到挑選菌種、純化培養(yǎng)，再到一個個帶有顏色的斑點慢慢成長，最終長成一幅色彩斑斕的作品，前后共花費了一個多月的時間。“看著菌株一點點長大，最后按照我們的想法長成一幅畫，這種感覺特別奇妙，充滿了樂趣，”參賽選手、沈陽藥科大學生物工程專業(yè)本科生王爽說。

小細菌背后的大學問

細菌分為很多種類，如何選擇有用的細菌，并對其進行處理，是整個微生物研究環(huán)節(jié)的第一步。以這次畫展為例，繪畫使用的“原材料”也就是細菌，主要來源于原始森林植物根部的土壤和部分中藥材，許多菌種都是學生們暑假期間到大別山考察時帶回來的。

從大別山采集回來后，他們采用梯度稀釋涂布法，將藥用植物靈芝、天麻、西洋參等中藥材的根際土壤進行處理；接下來通過三區(qū)劃線法等方式進行純化擴大，將每一種“顏料”單獨挑出、層層分離、純化、擴大，如此再三，才能得到各種單一顏色的“顏料”。

那么，這些作品的圖案是怎樣形成的呢？

細菌雖然個體微小，但生長總是比較規(guī)矩，菌種接種在哪里它就生長在哪里，給它一道線條它就長成一條道路，給它一片區(qū)域它就長成一座山峰；而真菌個體相對較大，它的孢子能夠到處飄揚而不可控，落在這里形成一朵，落在那里形成一片。于是，菌種一般被用來勾勒出線條，而真菌孢子則形成錦簇的花團，或者波濤洶涌的云海。

學會收集、分離和處理菌株

對于親手制作微生物作品的同學們來說，這次比賽還有著更深層次的意義。“我們的初衷希望讓學生們學到更多知識，對科學研究產(chǎn)生興趣，更可以讓他們了解到科學研究究竟是如何進行的。”張怡軒說。

張怡軒介紹，收集、分離和處理菌株，本身就是該學院的一項重要工作。因為學院建設(shè)有沈陽藥科大學藥用物質(zhì)資源庫——微生物資源中心，主持了國家自然基金項目、科技部“自然科技資源平臺—藥用微生物資源中心”建設(shè)子課題，所保存的各類微生物菌種已達1萬余株，共鑒定為280余屬，1240余種。菌種來源于土壤、水體、洞穴、藥用植物內(nèi)生、腸道及各種極端環(huán)境，用于科學研究。

張怡軒告訴科技日報記者，微生物資源中心成立以來，已經(jīng)取得了多項重大成果，維生素C生產(chǎn)菌就是其中之一。

我國維生素C發(fā)酵工業(yè)年產(chǎn)在16萬噸以上，占世界總產(chǎn)能的90％，是國內(nèi)醫(yī)藥領(lǐng)域的支柱性產(chǎn)業(yè)之一，更是遼寧省制藥業(yè)輝煌時代的象征之一。依托于微生物資源庫，張怡軒率領(lǐng)團隊對維生素生產(chǎn)流程中的關(guān)鍵步驟進行優(yōu)化，升級了傳統(tǒng)方法中微生物菌種，完成了混菌體系的全基因組測序、蛋白質(zhì)組學分析及在發(fā)酵不同階段下的轉(zhuǎn)錄組分析，明確了混菌體系中一系列生理活性物質(zhì)在菌株互作、代謝物交互過程中的作用及機制。新的工藝節(jié)約企業(yè)年運行成本1000萬元以上。

通過進一步研究，張怡軒團隊還利用微生物資源中心從土壤中分離出不需要大菌伴生即可獨立生長產(chǎn)酸的小菌SPU_B003，并通過菌株體內(nèi)碳代謝流改造及系列關(guān)鍵功能基因的敲除、補充及增強等手段，對候選菌株發(fā)酵能力進行增強，有望提升二步發(fā)酵效率，降低生產(chǎn)成本，從而創(chuàng)造可觀的效益。

“對菌種的篩選，其實就是微生物資源中心這些科研活動的一部分，通過這次畫展，學生們既可以學到知識，對微生物學科產(chǎn)生興趣，同時還能參與到深層次的科學研究中來，讓學生們擁有很強的參與感，如果其中有人因此而愿意投身科研事業(yè)，更是一舉多得。”張怡軒說。