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小細菌背後的大學問:微生物竟然也能“作畫”
2019-01-17 08:04:08 來源: 科技日報
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(受訪者供圖)

  提到微生物,你第一時間會想起什麼?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、季節變換春夏秋冬四季景色……近日,瀋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,以培養皿做畫布,微生物做“顏料”,完成了一幅幅精美的藝術作品——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,它連結起了科學研究鏈條的兩端,既能培養學生對學習本專業的興趣,也可以在高大上的論文中扮演重要角色。

  不同菌種産生不同顏色

  直徑9釐米的培養皿、按照流程消毒後的實驗器材、稀釋後的土壤標本……準備好這些材料,可以開始繪制一幅“畫作”了。近日,瀋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。

  在培養皿裏,各種不同的菌株搖曳多姿,或是散落滿地的潔白冰花,或呈現一片春花盛開的景色,或者是模倣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,還有能産生各種顏色色素的鏈霉菌等等微生物,將它們的藝術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,從自然環境中找到合適的菌種,根據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律和實驗規范來進行操作。

  “實驗室中各個步驟的無菌操作是對同學們的第一大要求。”瀋陽藥科大學生命科學與制藥學院副院長、教授張怡軒介紹説,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,實驗中使用的培養皿、竹簽等都要先經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;最後,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范到挑選菌種、純化培養,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,前後共花費了一個多月的時間。“看著菌株一點點長大,最後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、瀋陽藥科大學生物工程專業本科生王爽説。



 


  小細菌背後的大學問

  細菌分為很多種類,如何選擇有用的細菌,並對其進行處理,是整個微生物研究環節的第一步。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。

  從大別山採集回來後,他們採用梯度稀釋涂布法,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”。

  那麼,這些作品的圖案是怎樣形成的呢?

  細菌雖然個體微小,但生長總是比較規矩,菌種接種在哪裏它就生長在哪裏,給它一道線條它就長成一條道路,給它一片區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,落在這裏形成一朵,落在那裏形成一片。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,或者波濤洶涌的雲海。

  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説,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,對科學研究産生興趣,更可以讓他們了解到科學研究究竟是如何進行的。”張怡軒説。

  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。因為學院建設有瀋陽藥科大學藥用物質資源庫——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、藥用植物內生、腸道及各種極端環境,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,已經取得了多項重大成果,維生素C生産菌就是其中之一。

  我國維生素C發酵工業年産在16萬噸以上,佔世界總産能的90%,是國內醫藥領域的支柱性産業之一,更是遼寧省制藥業輝煌時代的象徵之一。依托于微生物資源庫,張怡軒率領團隊對維生素生産流程中的關鍵步驟進行優化,升級了傳統方法中微生物菌種,完成了混菌體係的全基因組測序、蛋白質組學分析及在發酵不同階段下的轉錄組分析,明確了混菌體係中一係列生理活性物質在菌株互作、代謝物交互過程中的作用及機制。新的工藝節約企業年運作成本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産酸的小菌SPU_B003,並通過菌株體內碳代謝流改造及係列關鍵功能基因的敲除、補充及增強等手段,對候選菌株發酵能力進行增強,有望提升二步發酵效率,降低生産成本,從而創造可觀的效益。

  “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,對微生物學科産生興趣,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願意投身科研事業,更是一舉多得。”張怡軒説。(記者 楊 侖)

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【糾錯】 責任編輯: 劉陽
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