尋菌34年

不獨為生產(chǎn)發(fā)酵乳制品，人類60%的食物都與乳酸菌發(fā)酵有關(guān)，乳酸菌在食品工業(yè)、健康醫(yī)療、農(nóng)業(yè)和生態(tài)保護等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，被認為是最重要微生物戰(zhàn)略資源之一。

曾經(jīng)長期被國外壟斷的優(yōu)良乳酸菌菌種，經(jīng)過研究人員30余年的努力，正在逐漸實現(xiàn)國產(chǎn)化。在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，研究人員已建起全球最大的原創(chuàng)性乳酸菌種質(zhì)資源庫，并依托該種質(zhì)資源庫開展乳酸菌基因組研究和智能篩選工作。

不放過農(nóng)家灶臺上的一碗“酸粥”

來自內(nèi)蒙古和來自青海的乳酸菌，雖然曾經(jīng)遠隔千里，如今卻在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)乳品生物技術(shù)與工程教育部重點實驗室里成為“鄰居”，在它們旁邊，還有從天宮二號“出差”歸來的乳酸菌。

這個保存有47573株乳酸菌菌株的種質(zhì)資源庫，經(jīng)中國食品科學(xué)技術(shù)學(xué)會與全球主要菌種保藏中心公布的乳酸菌保藏數(shù)量進行分析對比后認定，是目前全球最大、種類最全的原創(chuàng)性乳酸菌種質(zhì)資源庫。

乳酸菌種質(zhì)資源庫凝結(jié)了內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)乳品生物技術(shù)與工程教育部重點實驗室主任張和平及其團隊34年的努力。

我國對乳酸菌的研究起步較晚。在20世紀八九十年代，我國對乳酸菌資源還缺乏收集保護、種質(zhì)資源庫建設(shè)滯后、優(yōu)良菌株篩選技術(shù)匱乏，也沒有自主研發(fā)乳酸菌的技術(shù)與能力。

“當時有關(guān)乳制品發(fā)酵劑的研發(fā)技術(shù)、知識產(chǎn)權(quán)以及菌種和產(chǎn)品幾乎都被西方國家所掌控，我國的乳品企業(yè)生產(chǎn)基本全部采用國外的菌種。”1989年，碩士畢業(yè)留校任教的張和平暗下決心，要建立我們國家自己的乳酸菌種質(zhì)資源庫，打破西方國家對優(yōu)良菌種的壟斷。

2009年，張和平（左一）在甘肅采集乳制品樣本

從那時起，張和平開始尋菌之路。村民家灶臺上的一碗酸粥、牧民自制的一桶酸奶，都被他帶回實驗室采樣、分離、鑒定。從最初的一個人干，到帶領(lǐng)團隊一起做，張和平團隊累計采集自然發(fā)酵乳制品等樣品6202份，從中分離、鑒定和保藏4萬余株乳酸菌菌株，建成乳酸菌種質(zhì)資源庫，并于2022年入選首批國家農(nóng)業(yè)微生物種質(zhì)資源庫。張和平說：“我們建起自己的種質(zhì)庫，為乳酸菌研究和深度開發(fā)利用提供了戰(zhàn)略性資源?！?/p>

破解乳酸菌的基因密碼

“乳酸菌要好好保存，更要好好利用。”懷著這一信念，張和平帶領(lǐng)團隊于2018年在國際上率先啟動了“乳酸菌萬株基因組計劃”。

他介紹：“乳酸菌系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系復(fù)雜，菌株間功能和代謝差異極大，難以通過傳統(tǒng)實驗方法系統(tǒng)性地研究和挖掘，這大大限制了乳酸菌的開發(fā)與利用效率。如何對乳酸菌菌株進行高效挖掘，成為全球?qū)W界和產(chǎn)業(yè)界的迫切需求?！?/p>

在“乳酸菌萬株基因組計劃”中，研究人員基于已完成的11678株乳酸菌基因組數(shù)據(jù)，結(jié)合公共數(shù)據(jù)庫中51900個乳酸菌基因組信息，創(chuàng)建全球首個集乳酸菌基因組數(shù)據(jù)與功能研究于一體的共享平臺——iLABdb數(shù)據(jù)庫。

“數(shù)據(jù)庫不僅匯集超過6萬個乳酸菌基因組的序列和元數(shù)據(jù)信息，還提供關(guān)于乳酸菌序列分析、可視化和數(shù)據(jù)共享的工具，為乳酸菌物種注釋、功能解析和深度開發(fā)利用提供分析平臺?！睆埡推秸f。

張和平（左一）和團隊成員在進行實驗

通過這個數(shù)據(jù)庫，研究人員可以更準確地明確乳酸菌菌株的遺傳背景，直觀地了解乳酸菌基因組中的關(guān)鍵功能區(qū)域，高效地分析乳酸菌的功能特性和潛在應(yīng)用價值，推動乳酸菌在食品、健康和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用。

“讓中國酸奶用上中國菌種”，是張和平投身乳酸菌行業(yè)研究的初衷。隨著乳酸菌種質(zhì)資源庫和基因數(shù)據(jù)庫的建立，我國乳酸菌研究進一步深入，為核心技術(shù)國產(chǎn)化奠定基礎(chǔ)。

助力優(yōu)良菌種國產(chǎn)化

乳酸菌這個名字出現(xiàn)僅百余年，但對乳酸菌的應(yīng)用卻有上千年的歷史。5000多年前，古代游牧民族已經(jīng)掌握了用羊奶制作酸奶的技術(shù)。3000多年前的商代人就已經(jīng)開始利用其做腌漬菜了。如今，乳酸菌除了可用于食品加工和生物制品的生產(chǎn)，也可作為膳食補充劑和活菌藥物的重要成分，還可以助力污水處理和廢物降解，在眾多領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。

為了尋找可供開發(fā)利用的優(yōu)良乳酸菌菌種，張和平團隊基于基因組大數(shù)據(jù)，深入挖掘與益生特性、生產(chǎn)性能相關(guān)的功能基因，創(chuàng)建益生乳酸菌人工智能篩選平臺iProbiotics。利用深度機器學(xué)習(xí)的人工智能方法與理論，張和平團隊相繼篩選出具有維持腸道菌群穩(wěn)態(tài)、調(diào)節(jié)代謝和免疫等優(yōu)良特性的乳酸菌104株，優(yōu)良益生菌菌株中的乳酸菌菌種實現(xiàn)國產(chǎn)化。優(yōu)良菌株被蒙牛、新希望、完達山等23家乳品公司采用，取代了原有的進口菌種。

張和平團隊還將科學(xué)研究與產(chǎn)業(yè)鏈上下游對接，開發(fā)了適合于奶牛養(yǎng)殖的乳酸菌制劑和青貯發(fā)酵劑，推升奶牛綠色養(yǎng)殖水平。研究人員對奶牛規(guī)模化養(yǎng)殖存在的乳腺炎多發(fā)和抗生素濫用等問題進行深入研究，明確了腸道菌群紊亂是引發(fā)乳腺炎的重要原因之一。依據(jù)奶牛不同生理階段腸道菌群特征，研創(chuàng)了適用于奶牛健康養(yǎng)殖的產(chǎn)品，通過添加乳酸菌制劑，奶牛的隱性乳腺炎患病率下降45%，產(chǎn)奶量提升4.5%。

“乳酸菌的世界很大、很豐富，我們的研究永遠在路上?！睆埡推秸f，他的團隊計劃到2025年完成4萬株乳酸菌基因組的測序，揭示出更多乳酸菌多樣性分布生態(tài)學(xué)規(guī)律，繼續(xù)對乳酸菌進行有針對性的開發(fā)利用。

半月談記者：魏婧宇 /編輯：原碧霞