ATCC冷藏罐中的秘密
在美国首都华盛顿的郊区,有一个叫作ATCC的机构,我们权且将其称为“全美菌种保管委员会”,实际上,这个机构保存的远不止细菌,它还保存有细胞株、病毒株、各种基因和基因工程研究中所需的质粒等构件。
进入这个机构的保存大楼,可以看见许多巨大的液氮罐,在-190℃的罐中,贮存着许许多多的小玻璃瓶,在这里面装的是各种各样的菌种,它们像图书馆的书籍一样,被分门别类、登记编号。ATCC还将它所拥有的菌种、细胞株、病毒株和基因等等生物品种编入小册子,向全世界散发,并提供服务。在我国首都北京,也有我国自己的菌种保管委员会。为什么要将各种菌种保存起来?为什么细菌要在低温中保存?这些菌种又是从哪里得来的?
细菌也是自然财富
已经发现的细菌有成千上万种,尚未发现的有多少种呢?这将是一个永远无法解答的谜,因为人类将不断地发现新的菌种。为什么要将各种菌种加以保存呢?因为细菌也是自然财富。
在现代的发酵工业中,生产菌种的优劣是决定生产效益的重要因素,让我们以味精的发酵生产为例来说明。味精是商业上的名称,按科学上的命名,它应称为谷氨酸单钠盐,是一种有鲜味的调味品,在厨房中我们常可以见到。本来,味精是用水解蛋白的方法来生产的,后来,人们找到了能产生谷氨酸的菌种,于是就改用发酵法来进行生产。在发酵过程中,生产味精的细菌以糖类、蛋白质、无机盐等原材料为“食品”,经过发酵转化后产生了谷氨酸。好的菌种,它的产酸率(将原材料转化为谷氨酸的比例)就高;差的菌种,它的产酸率就低。在现代化的生产中,容量达几十吨乃至上百吨的发酵罐被广泛使用,如果去味精厂参观,我们可以见到这种有几层楼高的大圆桶状的装置,每次发酵的产酸率只要增加1%,其经济效益的增长就非常可观。
一个优良的生产菌种,往往是价值很高的宝贝。我国科学工作者和医药工作者共同完成的两步发酵法生产维生素C的工艺技术连同菌种,以数百万美元的高价转让给外国药厂就是一个很好的例子。由于优良生产菌种的重要性,各个企业都制订了严格的菌种保密措施。在国际上,偷窃优良生产菌种的事件也屡见不鲜。
不仅是有益菌对于人类特别重要,就是那些致病菌,对于人类也同样很重要。科学工作者和医务工作者要了解致病菌的特点,才能设计和制造出能够杀死这些菌种的药物。某些严重危害人类健康的菌种,也可能成为战争罪犯发动细菌战的“武器”,对此我们不能掉以轻心。
对于一个国家来说,和动植物资源一样,微生物(包括细菌)资源也是国家的自然财富,必须妥善保存。
低温下,细菌处于休眠状态
在什么条件下保存细菌最适合?这是由细菌的特点来决定的。
对于大多数的细菌来说,温暖、潮湿的环境是它们最适宜的生存条件,人和哺乳动物的体温对细菌的生长就很有利。在高温条件下,细菌被杀死,这就是人们使用高温消毒的原因;在低温和寒冷的条件下,细菌并不会被杀死,但是它们的生长和发育一旦停止,就处于休眠状态,科学家就利用这一特性来保存菌种。
人们将各种菌种制成冻干粉,在低温(如冰库、液氮罐等)中加以保存。当我们需要使用这些菌种时,可以升高温度,它们又开始具有生命的活力,可以生长、发育、繁殖。使用这样的方法,可以保存菌种几个月甚至一年以上,在此过程中只需要定期检查它们的保存状况,避免污染或失活。
人类是怎样寻找新的菌种的
大自然中有许多具有“特异功能”的细菌,但它们“隐姓埋名”,躲藏在地球的各个角落里,要找到它们,得付出艰苦的努力。一些优良菌种的发现往往具有偶然性,但它又是人类辛勤工作的必然结果。让我们举一个例子来说明这个问题。现在不少发电厂采用原油(也就是未经炼制的石油)作为燃料来发电,由于原油的产地不同,它们含有的杂质也不同,有一些原油含硫量很高,在使用中会严重损坏发电厂的锅炉设备。为了给原油脱去硫化合物的杂质,科学家正在寻找各种各样的方法。他们的目标往往是硫矿附近的土壤:先从土壤中分离出许多单个的细菌,然后在实验室中比较它们“吃”硫的本领,“择优录用”。在书本上读起来,这类工作很有趣味,但在实践中,却是一种重复性极强、又很单调的工作。正是千千万万科学工作者默默无闻的工作,人们才得到了越来越多的优良菌种。
选择优良菌种还有另一种重要的办法,这就是变异。我们知道,细菌“吃”什么原料,“生产”什么产品,是由它的遗传特性决定的,也就是由带有细菌遗传特性的物质——基因来决定的。基因是一类称为脱氧核糖核酸(简称为DNA)的物质,就是它们,决定了“种瓜得瓜,种豆得豆”,决定了“老鼠生儿打地洞”。在正常的环境中,遗传基因是比较稳定的,但在特殊的环境中,如由于辐照或某些化学物质的影响,基因的结构也会发生突变。这种变异会引起细菌代谢特征的变化,这种变化,可能对人类有益,例如,增加味精发酵中谷氨酸的生成率;也可能对人类不利,例如,降低味精发酵中谷氨酸的生成率。
为了找到对人类有益的变异菌种,科学家正利用一些特殊的条件,进行细菌变异的研究,如用射线来辐照某种菌种,使其产生变异,然后再对变异后菌种的特征进行比较研究,从中选出优良的变种。这是一条漫长的不平坦之途,这其中还会有许多谜等待着科学家去破解。