靠它解开生物之谜，又用它开拓艺术之美？
中科院物理所
[color=rgba(0, 0, 0, 0.3)]2022-04-19 21:27
The following article is from 科学艺术研究中心 Author as center
文 sheep 大肠杆菌(Escherichia coli)是德国奥地利医生、格拉茨大学和维也纳大学教授特奥多尔·埃舍里希（Theodor Escherich）在1885年发现的，与我们日常生活关系非常密切的一类细菌,学名称作“大肠埃希菌”,属于肠道杆菌大类中的一种，同时也是结构最简单的生物体之一。其繁殖速度十分迅速，大约每20分钟数量就可以翻倍。
在相当长的一段时间内，大肠杆菌一直被当作正常肠道菌群的组成部分,认为是非致病菌。但事实并不是这样，在机体免疫力降低、肠道长期缺乏刺激等特殊情况下，它会移居到肠道以外的地方，造成相应部位或全身播散性感染。因此，大部分大肠杆菌通常被看作机会致病菌。但在正常情况下，大多数大肠杆菌“安分守己”, 与人体互利共生。他们不但不会给我们健康带来任何危害，反而能竞争性抵御致病菌的进攻，同时帮助合成维生素K2，维护肠道内环境的稳定，对消化和吸收都有一定的作用。 大肠杆菌在人体中“兢兢业业”工作的同时，也没有放弃在艺术界“兼职 ”的机会。
大肠杆菌作画， 来源：科学解码
大肠杆菌可以转变成为艺术家的颜料。据《自然化学生物学》报导，美国麻省理工学院研究人员用18种基因的合成网络连线大肠杆菌，可使大肠杆菌探测并响应红色、绿色和蓝色。一旦受到颜色刺激，这种基因环路将激活细菌从而制造相应的色素或者荧光蛋白。科学家将培养皿当成画板，用大肠杆菌在上面描绘鲜艳美丽的图案。
国际遗传工程机器竞赛（iGEM）是生命科学领域规模最大、学术影响力最高的国际赛事，由美国麻省理工学院于2003年创办，至今已成功举办十八届。
iGEM以“合成生物学”为主题，鼓励全世界有志于在生命科学领域开拓创新的年轻人，设计完成合成生物学科研项目，尝试解决世界面临的现实问题。 深圳市育才中学Yucai_SZ的团队近日以“用合成生物学的方式修复壁画”项目，摘得2021年iGEM的银奖。 2021年6月初，团队组建完成后，查阅了大量的相关资料，在看到一篇利用大肠杆菌生成的生物膜矿化修复建筑材料的论文后，对敦煌壁画十分感兴趣的队员提出可以尝试利用大肠杆菌修复敦煌壁画。 整个实验有三个部分：融合蛋白表达系统实验、光感受器系统实验以及共转表达。而修复的过程主要分为五个部分：首先，将含有大肠杆菌的生物膜转变为凝胶，混合到水凝胶中；其次，再把整个水凝胶贴在待修复的墙上；在生物膜形成后喷洒SBF（模拟体液），并等待其矿化；矿化完成后，掀开水凝胶，等待其干燥并杀死剩余的细菌。 团队成员表示，“敦煌壁画作为世界文化瑰宝，现在面临着严重的、无法恢复的破坏，与传统方法相比，使用大肠杆菌来修复壁画更加精确、高效，并且可以在一个相对较大的范围内实现壁画修复。”
这并不是大肠杆菌第一次在IGEM上大显身手，早在2018年，as科学艺术研究中心作为学术顾问，曾为国科大的IGEM团队助力，以大肠杆菌为载体创作的作品取得了金牌佳绩，还获得了最佳开放类项目奖。 你是否读过英国作家王尔德的童话《夜莺与玫瑰》？一位年轻的男子在寒冷的冬夜中寻找一朵盛开的玫瑰花，只为邀请心爱的女孩共赴舞会。月光洒在干枯的玫瑰花枝上，寻遍无果，男孩坐在冰冷的石板上徘徊。一只夜莺被他诚挚的感情所打动，在月光下彻夜吟唱，将玫瑰的尖刺深深地刺进自己的胸膛。终于在黎明时分，一只浸着血般红艳的玫瑰绽放。 在王尔德笔下，这支玫瑰象征艺术与真爱，国科大的IGEM队伍UCAS-China与我们as一起“摘下”这只在历史的尘埃中摇曳的玫瑰，利用生物学的手段创造出了一片浪漫的、独一无二的玫瑰花园。
在故事中，夜莺于月光中吟唱, 用生命化作鲜艳而芬芳的玫瑰；在项目中，我们将故事里的四个元素--月光、夜莺歌声、玫瑰颜色与气味分别提取出来, 实现由光信号和声信号输入, 呈现出一幅由被改造的大肠杆菌创作、带有香气的玫瑰画作。
那为什么选择大肠杆菌进行创作呢？ 大肠杆菌是第一个用于重组蛋白生产的宿主菌，是被研究最透彻的细菌，属于模式生物。它不仅拥有遗传背景清晰、培养操作简单、生长繁殖快、转化转导效率高、成本低廉等优点，其表达外源基因产物的水平也远高于其他基因表达系统。
模拟过程， 来源：IGEM
“夜莺的歌声浇灌了那朵红玫瑰，是声音为花朵注入灵魂。”在这个项目中，大肠杆菌需要光和声音作为输入，以产生颜色和气味作为输出。该过程主要分为三部分：声音转换成光，光转换成颜色，光转换成气味。 模拟声音信号转化颜色过程，来源：IGEM
项目成员开发的软件Orpheus，可以将声信号转化为丰富多彩的图片， 用户可以选择自己喜欢的音乐或者自己的声音，再采用图片中对应颜色的光来诱导大肠杆菌表达出相应的颜色。 考虑到声音直接转化为化学信号的操作难度及可控性，团队使用了光控系统（RGB system）实现“给玫瑰染色”的转化。不同于以往的IGEM团队将不同的细菌细胞混合产生不同颜色的做法，这次团队使用了串联表达和RGB系统来控制细胞中不同颜色的表达比例，以实现细菌细胞中的颜色混合，为玫瑰染上鲜艳的色彩。 没有香气的玫瑰，是不完整的。所以当想改变大肠杆菌固有的气味、使“玫瑰”散发香气时，团队试着消除其产生臭味的基因tnaA。大肠杆菌的转化转导，也就是将外源基因转入大肠杆菌的效率极高，所以我们在大肠杆菌中引入了花朵、雨水、柠檬的香味基因，这样我们的玫瑰就可以产生多种多样的气味。 两种颜色输出和一种气味输出被导入大肠杆菌中，打造了一只拥有独特灵魂的玫瑰。也就是说，你只要在软件中输入一段声音和原始图片，等待信号被传递至硬件，生成的图片被投射到改造过的大肠杆菌上， 8-10小时后，我们就可以得到一朵在培养基上绽放的艳丽芬芳的玫瑰。
和其他的培养皿作画不同的是，这次的实验可以轻松地在玫瑰花瓣处做出清晰或模糊的边缘、纯色或渐变的效果，这是传统科学与艺术难以达到的。 《夜莺与玫瑰》成品，来源：IGEM
总的来说，大肠杆菌表达系统作为目前应用最广泛的表达系统具有较多的优点：能够在较短时间内获得表达产物、且所需的成本相对较低。在进入后基因时代后，大肠杆菌首先被选作研究基因功能、科学研究的模型，揭示了很多基因表达的未知领域。伴随学科交叠处的不断延伸，大肠杆菌势必在科学生产和艺术表达中发挥出更大的作用。
Reference: https://zhuanlan.zhihu.com/p/53549648 http://2018.igem.org/Team:UCAS-China https://en.wikipedia.org/wiki/Escherichia_coli https://www.sohu.com/a/505840390_162758
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发表于 2022-4-24 17:29
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