本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點。
乳酪是微生物藝術日常的人工製品。數千年前，當有人將牛奶儲存在裝滿腸道微生物、酸和酶的胃袋中時，乳酪製作意外地被發現，它逐漸演變成一種利用有益細菌來保護牛奶免受有害細菌侵害的方法，那時人們甚至不知道細菌的存在。在我們現代世界中，抗菌洗手液分配器遍佈每個電梯大堂，乳酪和其他富含微生物的食物正處於一場關於微生物對我們的健康和幸福的積極影響的後巴斯德辯論的核心。
隨著抗生素耐藥性的上升以及對細菌如何維持我們的消化和免疫健康的認識不斷提高，在培養有益細菌和控制危險的細菌感染之間取得平衡變得比以往任何時候都更加重要。生物技術和合成生物學可能在開發健康的細菌群落中發揮作用，設計細菌生態系統以改善人類和環境健康。然而，在我們能夠擁有像弗里曼·戴森等科學家預測的馴化生物技術之前，我們必須首先重新馴化與我們共同進化了數千年的微生物。
乳酪製作、微生物生態系統、微生物學和生物技術都展示了複雜混合培養的例子。所有這些都將不同的生命形式聚集到複雜的競爭和協作生態系統中，影響著我們的文化和環境。研究手工乳酪製作微生物政治的人類學家希瑟·帕克森寫道，“雙重談論乳酪培養——細菌的和人類的——絕非無意義的雙關語。” 這些不同的文化可以為彼此提供什麼？科學家和生物工程師能否像從微生物文化中學習一樣容易地從人類文化中學習？事實上，藝術和科學這兩個經常爭鬥的“兩種文化”能否透過像乳酪這樣簡單的東西來緩解人類和細菌文化介面上的摩擦？
關於支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保關於塑造我們今天世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
乳酪製作
當生牛奶中天然存在的或作為 starter culture 新增的乳桿菌將乳糖分解成高濃度的乳酸時，乳酪就開始製作了。與運動時使您的肌肉痙攣的酸相同，乳酸會使牛奶凝結，將糊狀蛋白質和脂肪與液態乳清分離。凝乳酶是一種在小牛肉的胃壁內層和某些型別的黴菌中發現的酶混合物，被新增到牛奶中以進一步分解牛奶蛋白質，使凝乳變硬，以便可以將其壓制、清洗、陳化和加工成我們今天可以選擇的數百種乳酪。
不同乳酪的區別在於牛奶的來源和質量（牛、羊、山羊；草飼、生牛奶、低脂）以及它們的陳化和加工方式，但它們也可以根據參與其生產的微生物進行區分。乳桿菌不是唯一用於凝結牛奶的微生物物種——瑞士乳酪的特徵性孔洞來自丙酸桿菌排放的二氧化碳，丙酸桿菌是人類腋窩氣味的主要貢獻者。乳酪微生物不僅限於細菌，來自青黴菌屬的不同真菌物種不僅給我們提供了抗生素青黴素，還為藍紋乳酪提供了其臭氣熏天的藍色，為布里乳酪提供了其柔軟的白色外皮。
然而，大多數乳酪外皮不僅僅寄生著單一物種，而是複雜的生物膜，細菌和真菌的群落，它們沉積在乳酪表面並在緻密的層中生長，隨著乳酪在黑暗潮溼的洞穴中陳化。乳酪以不同的方式清洗、鹽醃和儲存，以培養獨特的微生物群落，從而產生獨特的乳酪風味。
微生物群落
在這些和其他微生物群落中，我們最清楚地看到沒有微生物是孤立存在的。乳酪外皮中的細菌和真菌相互交流，並以我們才剛剛開始理解的複雜方式共享營養物質。除了乳酪之外，我們周圍的每個表面——土壤、空氣和水，甚至我們自己的身體——都充滿了複雜的微生物生態系統，它們相互作用，並與我們環境和食物中的其他微生物相互作用。乳酪外皮提供了一個簡化的系統來研究複雜的微生物相互作用，哈佛大學FAS 系統生物學中心的鮑爾研究員 Rachel Dutton 正在使用該模型來揭示微生物如何在自然界中合作的細節。乳酪外皮中只有數十種物種協同工作，而不是更復雜環境中可能存在的數百或數千種，這為科學家提供了結合不同規模實驗理解的能力。大規模基因測序可以與對一種或多種細菌物種在分離培養物中工作的更經典的微生物學實驗相結合，從而更深入地瞭解微生物群落的生物學。
微生物學
在純培養物中研究像實驗室主力菌株大腸桿菌這樣的細菌，使微生物學家能夠在過去幾十年中理清構成細胞新陳代謝的數千種化學反應。儘管進行了詳盡的研究，但大腸桿菌基因組中 4000 多個基因中仍有近三分之一的功能未知。這些基因中的許多似乎對於在隔離的實驗室條件下生長的細胞來說完全不必要——從大腸桿菌基因組中一次刪除一個基因對細胞在試管中的生長情況沒有影響。這些看似不必要的基因很可能實際上在細菌更自然的背景下被使用，被數百種其他微生物菌株和物種包圍、競爭和交流。
這些其他菌株中有 99% 根本無法在實驗室中分離和培養：它們需要動態的微生物環境才能生存，這使得很難理解它們如何單獨地為微生物生態系統做出貢獻。對存在於從馬尾藻海到人類舌頭等不同地方的所有微生物進行測序，使我們能夠識別這些環境中微生物多樣性的全部範圍，但許多細節仍然缺失。來自系統生物學的專案，如 Dutton 對乳酪的分析，可以為我們僅從測序中學到的知識增加有價值的複雜性。
生物技術
合成生物學也可以解決微生物如何在混合培養物中協同工作的複雜性。“合成”可以指自然界中不存在的事物，也可以指這些事物的製造方式；合成是將兩個或多個事物組合在一起以製造新事物。在新的生物學背景下將細胞或細胞組分組合在一起的合成生物學實驗可以為我們提供關於生物系統如何在自然界中工作或為新的生物學實驗提供工具的線索。溫德爾·林和邁克爾·埃洛維茨在最近發表在《自然》雜誌上的一篇評論文章“構建生命以理解生命”中探討了生物學研究的這一新前沿：
傳統上，生物學家一直致力於理解生命的存在方式。然而，從幹細胞重程式設計到微生物工廠，研究人員越來越多地描述存在的事物並探索可能存在的事物。類似的轉變發生在物理學和化學領域，尤其是在 19 世紀。與生物學一樣，這些領域曾經專注於解釋觀察到的自然過程或物質，例如行星運動或“有機”分子。現在，他們研究物理和化學原理，這些原理支配著自然和人造系統中可能存在或不可能存在的事物，例如半導體和合成有機分子。
合成生物學和系統生物學正在許多令人興奮的新方式中協同工作，以探索微生物合作，構建關於不同細菌菌株如何在惡劣環境中共享代謝物的數學模型，或使用細菌用於交流的系統“連線”新的細菌邏輯閘。透過彙集不同的工程菌株，甚至不同的物種，我們可以探索微生物如何在自然界中交流，並創造單獨物種無法實現的新功能。
超越兩種文化
此外，作為一個相對較新的領域，合成生物學結合了工程師和生物學家的努力，它本身就展示了學術文化的複雜混合如何潛在地導致大於其各部分總和的結果。就像不同的細菌物種各自為群落的功能貢獻獨特的能力一樣，每位研究人員都帶來了他們自己的觀點，他們自己發展該領域的方法。這些不同的觀點使合成生物學成為現在的樣子，但也可能導致有趣的“文化衝突”，因為不同的群體學會溝通和協同工作。林和埃洛維茨在他們的文章中描述了這種衝突
儘管傳統的學科界限正在消融，但科學家和工程師之間的文化差異仍然強烈。對於生物學家來說，基因改造是一種理解自然系統的工具，而不是目的本身。因此，使生物系統“可工程化”——合成生物學領域工程師的目標——可能看起來毫無意義。許多生物學家想知道為什麼工程師們不欣賞自然發生的複雜、美麗和精巧的設計。工程師們常常同樣被生物學家搞糊塗了。為什麼他們如此痴迷於特定系統的細節？為什麼他們不欣賞用更簡單、更模組化和更可預測的替代方案取代複雜且特異的系統的價值？這些誤解可能會帶來有趣的對話，但也可能阻礙互惠互利的協同作用。
在這裡，我們也可以從微生物群落中學習，競爭在其中發揮著重要作用。關於什麼“算作”合成生物學以及什麼研究最有價值的激烈辯論，只要我們不讓這些辯論分散對該群體成員正在做的積極工作的注意力，就可以有助於區分這個新領域並發展強大的研究計劃。通常，這些辯論也突出了將個體鏈從複雜的群體中分離出來是多麼困難。不僅僅是工程師在一邊，生物學家在另一邊，而是各種模糊的中間地帶——介於科學和技術、純粹研究和應用研究、有機和電子之間。合成生物學正在使用工程學來探索基礎科學中的問題，在細菌世界和計算世界之間建立新的聯絡，使用新的科學來開發新的生物技術。C.P. 斯諾在《兩種文化與科學革命》（PDF）中警告我們“數字 2 是一個非常危險的數字：這就是為什麼辯證法是一個危險的過程。任何試圖將事物分成兩部分的行為都應該受到高度懷疑。” 將複雜的問題僅僅分成兩個對立和獨立的派別可能與生物單一種植一樣危險和具有侷限性。透過鼓勵來自多方和中間利益的辯論和合作，我們可以建立更強大的社群。
實際上，工程師和生物學家並不是唯一對合成生物學的未來有強烈而複雜興趣的人。正如總統生物倫理委員會的全新報告（PDF）正在世界各地的部落格上討論一樣，這個新領域的未來以及它將如何影響技術和社會是很多人都在思考的問題。合成生物學如何融入科學和文化的這種可疑的二元分裂？我們如何將其他人的聲音和擔憂納入新的科學和技術發展中？
我花了 11 月份思考這些問題，明確地在藝術和科學這兩種文化之間工作，以解決合成生物學的未來。作為一名合成美學駐地研究員，我有一個大多數科學博士生聞所未聞的機會，我花了一個月的時間與藝術家、設計師和社會科學家一起學習和工作，試圖找到共同點，以此構建更好的合成生物學。
合成美學駐地研究專案將像我這樣的合成生物學家與藝術家和設計師配對，我很榮幸能與 Sissel Tolaas 合作，她將自己描述為不是藝術家，而是“專業的中間人”。她關於氣味、我們如何透過氣味進行交流的工作既是化學，也是藝術。她將識別氣味的強大能力與專門的知識相結合，即哪種分子組合可以精確複製那種特定的複雜氣味。我們在波士頓的我的實驗室和柏林的她的實驗室分別度過了兩週時間，探索我們如何透過生物或化學手段隔離和重塑自然世界，我們的方法、我們的目標、我們的意圖。
在乳酪中，我們找到了一個完美的“模式生物”。乳酪又臭又充滿細菌，對於研究難聞氣味的人和研究細菌群落的人來說，乳酪有很多東西可以提供。乳酪製作本身就是一種文化/科學混合體，一種由生物材料鍛造而成的藝術形式，創造了一種受到數千年烹飪文化珍視的文化物品。
我們的駐地研究已經結束，但我們的專案才剛剛開始。隨著我們更多地瞭解微生物群落並能更好地對其進行工程改造，乳酪或我們吃乳酪的方式會改變嗎？隨著我們對構成我們個人生態系統的數百萬非人類細胞的欣賞增加，我們與食物和身體的關係會改變嗎？我們能否透過欣賞所有涉及的混合文化，包括人類的和微生物的，來更好地設計生物學？
關於作者： Christina Agapakis 是哈佛醫學院合成生物學專業的博士生，也是一位有抱負的工程師、設計師、藝術家和作家。她的部落格是 Oscillator，推特是 @thisischristina。
此處表達的觀點是作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點。