這是一個(gè)色香俱全的實(shí)驗室。

　　在一個(gè)個(gè)燕麥培養基中加入金屬離子，燕麥味道一會(huì )兒便飄香了半間屋子，這是“北工商”鏈霉菌最喜歡的生存環(huán)境；在另一個(gè)培養皿里，被分離出來(lái)的單孢哈薩克斯坦酵母菌會(huì )散發(fā)出清香的氣味，呈現出圓形小顆粒形狀；而被加入了“北工商”海洋桿菌的培養液中，液體顏色則逐漸變?yōu)辄S酒的焦糖色。

　　“各種白酒的酒曲、窖池和釀造環(huán)境，形成了一個(gè)個(gè)獨特的微生物資源庫，含有大量的未知菌種，這些菌種是我國特有的、寶貴的微生物資源。它們有哪些生物學(xué)功能？是如何釀造出美酒的？這些亟待我們展開(kāi)研究和開(kāi)發(fā)利用。”

　　在長(cháng)達10年的時(shí)間里，北京工商大學(xué)輕工科學(xué)技術(shù)學(xué)院副教授任清帶領(lǐng)團隊，從我國傳統白酒酒曲、酒醅和窖泥中分離篩選釀酒微生物86個(gè)屬，3000余株細菌，其中，已經(jīng)鑒定確認細菌新種24種，大部分用“北工商”和“北京”命名，他們正一步步走近藏在酒香里的神秘“群落”。

　　走近微生物世界的神秘群落

　　對1996年出生的姑娘劉波來(lái)說(shuō)，白酒、黃酒等名詞原本跟她的生活并不相關(guān)。但跟著(zhù)課題組展開(kāi)兩年多的研究后，每逢過(guò)年，這位研三的學(xué)生就會(huì )在飯桌上跟父親一一科普，指著(zhù)其中一瓶分辨是濃香型白酒還是清香型白酒，這背后到底是什么微生物在起作用。

　　在微觀(guān)的世界里，中國傳統釀酒是依靠微生物發(fā)酵而生產(chǎn)。而在這條肉眼不可見(jiàn)的“生產(chǎn)鏈”上，多個(gè)微生物菌種正有條不紊地分工合作著(zhù)：當人們把釀酒原料和酒曲倒入窖池，根霉和曲霉等霉菌會(huì )加速淀粉變成葡萄糖，酵母菌又將葡萄糖轉化為乙醇。醋酸桿菌接過(guò)下一個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)，促進(jìn)葡萄糖變成乙酸，乙酸再經(jīng)過(guò)多種微生物的酯化作用生成乙酸乙酯，多種微生物協(xié)力合作，也就初步完成了清香型白酒的釀造。

　　“國外酒風(fēng)味單一，其釀酒主要是單菌種或少數菌種的液態(tài)發(fā)酵技術(shù)，微生物種類(lèi)少，所以，發(fā)酵形成的風(fēng)味物質(zhì)少。而我國白酒釀造是自然多菌種固態(tài)發(fā)酵，有著(zhù)獨特的釀造工藝，靠著(zhù)幾百年傳承下來(lái)的制曲技術(shù)和老窖池，形成了一個(gè)獨特的微生物資源庫。”任清說(shuō)。

　　一些名酒之所以風(fēng)味不同，主要是因為其釀酒系統中微生物群體的差異化造成的。任清解釋?zhuān)绻谄渌胤结劤瞿趁频娘L(fēng)味，就要破解其釀造系統中的微生物群落結構和多個(gè)微生物如何相互作用的難題。而當下傳統釀酒行業(yè)過(guò)分依賴(lài)釀酒師和當地窖池，標準化程度低，受到地理氣候和生態(tài)環(huán)境的影響，每一個(gè)窖池、每一批次釀造出來(lái)酒的品質(zhì)也各不相同。

　　“如果能用科學(xué)的手段，找到傳統釀酒過(guò)程中是哪些功能微生物起主要作用，并分離這些主要的功能微生物，利用功能微生物就可以實(shí)現‘基于風(fēng)味感知的白酒品質(zhì)定向設計’。那么即便在北京也有可能生產(chǎn)出其他名酒，實(shí)現傳統釀造向現代發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)的轉變。”任清做了一個(gè)比喻，如果把傳統釀酒工藝看作是一個(gè)系統，那么“芯片”就是微生物。

　　為了破解“芯片”的密碼，從2013年開(kāi)始，任清帶領(lǐng)團隊利用培養組學(xué)和高通量測序技術(shù)，從龐大的微生物生態(tài)系統中分離菌種，揭秘這一群藏在酒窖里的“群落”如何精密地運轉。

　　像考古探險一樣摸著(zhù)黑往前走

　　在課題組里，劉波的工作是從龐大微生物生態(tài)系統里篩選菌種。她要從大量的樣本里找到還沒(méi)有被前人發(fā)現的微生物，像考古探險一樣摸著(zhù)黑往前走。

　　微生物的生存環(huán)境各不相同。在篩選菌種的過(guò)程中需要設置不同溫度和pH值的培養基，待菌種生成后，純化分離出來(lái)，展開(kāi)篩選工作。對這個(gè)95后姑娘來(lái)說(shuō)，篩選菌種是一個(gè)“極其枯燥的過(guò)程”。

　　2020年5月，在一次菌種篩選工作中，她為每一個(gè)實(shí)驗周期設計了360個(gè)培養皿，但養出來(lái)的微生物里都沒(méi)有發(fā)現新的菌種。兩個(gè)月的時(shí)間過(guò)去了，她的生活每天都在做實(shí)驗和看數據之間重復著(zhù)。實(shí)驗里使用的培養皿超過(guò)2000多個(gè)，堆積起來(lái)比這個(gè)身高175厘米左右的姑娘還要高。

　　一天早上，劉波偶然發(fā)現之前的培養皿里長(cháng)出了一個(gè)個(gè)形態(tài)幼小的微生物，不易被人察覺(jué)。把它們純化分離出來(lái)，在顯微鏡下觀(guān)察，經(jīng)過(guò)鑒定發(fā)現是一株新菌，此后該株確定為擬桿菌屬的一個(gè)新種。

　　發(fā)現新菌種的驚喜，王鎵璇也曾見(jiàn)證過(guò)。那時(shí)她剛來(lái)課題組不久，正在埋頭做實(shí)驗，師姐突然從隔壁實(shí)驗室跑進(jìn)來(lái)，高興地叫起來(lái)，“我篩選出突變株了”。

　　當時(shí)，實(shí)驗室里所有的人都不約而同地停下來(lái)，為她鼓掌。后來(lái)王鎵璇才知道，這位臨近畢業(yè)的師姐已經(jīng)為突變株篩選的問(wèn)題死磕了兩個(gè)月。

　　“做科研并非每一天都有意思，有時(shí)候需要多一點(diǎn)堅持和耐性。”王鎵璇說(shuō)。

　　為何窖池里的微生物群落如此難以發(fā)現？任清解釋?zhuān)煌木N需要的培養基不同，生長(cháng)速度不一致，有的三五天才會(huì )長(cháng)出形狀，而有的則在第二天早上便已經(jīng)養成。

　　但微生物菌種之間的相互作用關(guān)系非常復雜，有時(shí)單一菌種無(wú)法產(chǎn)生風(fēng)味，需要跟另一個(gè)菌種相互作用才能呈現出特定的性狀。這時(shí)，就需要在實(shí)驗之中用生物信息學(xué)等知識展開(kāi)關(guān)聯(lián)性分析，摸索不同微生物之間潛在的“社交關(guān)系”。

　　王鎵璇曾遇到過(guò)一個(gè)頑固的微生物。她在分離奇枝菌屬的培養基時(shí)，發(fā)現培養基的表面意外地多出了裂痕。原本以為是因培養基的環(huán)境干燥出現了裂縫，可完成了多項對照試驗后發(fā)現，每一組培養基里都有類(lèi)似的裂痕。

　　這會(huì )不會(huì )是一種新的微生物？她把培養基的環(huán)境改成了液體，再提取基因組展開(kāi)鑒定，驚奇地發(fā)現新的微生物菌種。在固體培養基的環(huán)境里，這一類(lèi)菌種不會(huì )長(cháng)在表面，而會(huì )嵌入到培養基之中，生長(cháng)速度長(cháng)達一周左右。

　　“做科研就是在枯燥和無(wú)趣之中堅持，要大膽地設想，不斷地給出新的培養環(huán)境，總有一天會(huì )有收獲的。”跟著(zhù)課題組完成了兩年的研究，1998年出生的姑娘王鎵璇慢慢學(xué)會(huì )了耐著(zhù)性子做事。

　　私下里，任清常帶著(zhù)課題組的孩子們出去打牙祭。但只要回到實(shí)驗室，這位老師對同學(xué)們的要求極為嚴格，他常說(shuō)，“科研來(lái)不得半點(diǎn)虛假，工作一定要實(shí)打實(shí)地做，如果篩選出來(lái)好的微生物菌種，成果自然就出來(lái)了，但要是篩選不出來(lái)，不僅功夫白費了，甚至連畢業(yè)都夠嗆。”

　　化腐朽為神奇的“微”力量

　　近10年的時(shí)間，任清課題組揭開(kāi)了100余種微生物新菌種的神秘面紗。

　　“北工商”海洋桿菌是我國黃酒曲中發(fā)現的唯一新菌種。任清介紹，這個(gè)菌種可以合成番茄紅素和類(lèi)胡蘿卜素等紅色素，不僅可以作為黃酒重要的著(zhù)色劑，代替焦糖色，還具備良好的抗氧化功能，可廣泛應用在保健養生的產(chǎn)品中。

　　“‘北工商’食烷菌可以分解石油，生物分解無(wú)法降解的物質(zhì)，對生態(tài)環(huán)境保護起到了一定的作用。‘北工商’節桿菌可以合成護膚成分，用于化妝品行業(yè)。”任清說(shuō)，微生物的作用不僅僅在釀酒行業(yè)，通過(guò)一系列研究，未來(lái)在食品、護膚品等行業(yè)都將有廣闊的應用前景。

　　除了單個(gè)微生物的作用，在微觀(guān)世界里，微生物的“社交功能”還可以產(chǎn)生化腐朽為神奇的力量。

　　任清曾帶著(zhù)學(xué)生做過(guò)一組實(shí)驗。在進(jìn)行降解人參皂苷的新菌種篩選中，他們用特殊培養基培育，過(guò)了幾天，培養基會(huì )變成黑色。研究后才發(fā)現，“北工商”鏈霉菌在培養基之中會(huì )產(chǎn)生一種β-葡萄糖苷酶，使得葡萄糖苷鍵斷裂，讓人參和三七中的普通皂苷轉化成藥理活性更高的稀有皂苷，可以顯著(zhù)提高人參和三七的藥用價(jià)值。

　　在研究中，團隊發(fā)現部分微生物還承擔著(zhù)“喚醒”其他休眠狀態(tài)菌種的工作，比如“北京”棒桿菌，其基因編碼一個(gè)特殊蛋白質(zhì)，可以復蘇休眠狀態(tài)的細菌。他們克隆了該基因，正在研究該基因編碼蛋白質(zhì)的復蘇功能。一旦應用到微生物培養中，可以促進(jìn)微生物的“蘇醒”，加速培育過(guò)程。如果應用到食品安全檢測中，可以發(fā)現食品中潛伏的有害微生物。

　　10年間，圍繞新菌種資源，團隊開(kāi)展了多項研究應用開(kāi)發(fā)工作，獲得授權國際發(fā)明專(zhuān)利2項，國家發(fā)明專(zhuān)利10項，獲2021年中國輕工業(yè)聯(lián)合會(huì )科技進(jìn)步三等獎1項，其中，5項專(zhuān)利已經(jīng)實(shí)現成果轉化。

　　“酒香里藏著(zhù)的微生物菌種，是我國特有的微生物資源。”在任清看來(lái)，這個(gè)未知的“群落”還待進(jìn)一步發(fā)現，“未來(lái)的工作是要建立我國釀酒微生物資源庫，保護特有的菌種，讓這一群在窖池里流傳百年的‘群落’可以真正服務(wù)社會(huì )的發(fā)展。”

　　中青報·中青網(wǎng)見(jiàn)習記者 楊潔 來(lái)源：中國青年報