本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点。
奶酪是微生物艺术日常的人工制品。数千年前，当有人将牛奶储存在装满肠道微生物、酸和酶的胃袋中时，奶酪制作意外地被发现，它逐渐演变成一种利用有益细菌来保护牛奶免受有害细菌侵害的方法，那时人们甚至不知道细菌的存在。在我们现代世界中，抗菌洗手液分配器遍布每个电梯大堂，奶酪和其他富含微生物的食物正处于一场关于微生物对我们的健康和幸福的积极影响的后巴斯德辩论的核心。
随着抗生素耐药性的上升以及对细菌如何维持我们的消化和免疫健康的认识不断提高，在培养有益细菌和控制危险的细菌感染之间取得平衡变得比以往任何时候都更加重要。生物技术和合成生物学可能在开发健康的细菌群落中发挥作用，设计细菌生态系统以改善人类和环境健康。然而，在我们能够拥有像弗里曼·戴森等科学家预测的驯化生物技术之前，我们必须首先重新驯化与我们共同进化了数千年的微生物。
奶酪制作、微生物生态系统、微生物学和生物技术都展示了复杂混合培养的例子。所有这些都将不同的生命形式聚集到复杂的竞争和协作生态系统中，影响着我们的文化和环境。研究手工奶酪制作微生物政治的人类学家希瑟·帕克森写道，“双重谈论奶酪培养——细菌的和人类的——绝非无意义的双关语。” 这些不同的文化可以为彼此提供什么？科学家和生物工程师能否像从微生物文化中学习一样容易地从人类文化中学习？事实上，艺术和科学这两个经常争斗的“两种文化”能否通过像奶酪这样简单的东西来缓解人类和细菌文化界面上的摩擦？
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奶酪制作
当生牛奶中天然存在的或作为 starter culture 添加的乳杆菌将乳糖分解成高浓度的乳酸时，奶酪就开始制作了。与运动时使您的肌肉痉挛的酸相同，乳酸会使牛奶凝结，将糊状蛋白质和脂肪与液态乳清分离。凝乳酶是一种在小牛肉的胃壁内层和某些类型的霉菌中发现的酶混合物，被添加到牛奶中以进一步分解牛奶蛋白质，使凝乳变硬，以便可以将其压制、清洗、陈化和加工成我们今天可以选择的数百种奶酪。
不同奶酪的区别在于牛奶的来源和质量（牛、羊、山羊；草饲、生牛奶、低脂）以及它们的陈化和加工方式，但它们也可以根据参与其生产的微生物进行区分。乳杆菌不是唯一用于凝结牛奶的微生物物种——瑞士奶酪的特征性孔洞来自丙酸杆菌排放的二氧化碳，丙酸杆菌是人类腋窝气味的主要贡献者。奶酪微生物不仅限于细菌，来自青霉菌属的不同真菌物种不仅给我们提供了抗生素青霉素，还为蓝纹奶酪提供了其臭气熏天的蓝色，为布里奶酪提供了其柔软的白色外皮。
然而，大多数奶酪外皮不仅仅寄生着单一物种，而是复杂的生物膜，细菌和真菌的群落，它们沉积在奶酪表面并在致密的层中生长，随着奶酪在黑暗潮湿的洞穴中陈化。奶酪以不同的方式清洗、盐腌和储存，以培养独特的微生物群落，从而产生独特的奶酪风味。
微生物群落
在这些和其他微生物群落中，我们最清楚地看到没有微生物是孤立存在的。奶酪外皮中的细菌和真菌相互交流，并以我们才刚刚开始理解的复杂方式共享营养物质。除了奶酪之外，我们周围的每个表面——土壤、空气和水，甚至我们自己的身体——都充满了复杂的微生物生态系统，它们相互作用，并与我们环境和食物中的其他微生物相互作用。奶酪外皮提供了一个简化的系统来研究复杂的微生物相互作用，哈佛大学FAS 系统生物学中心的鲍尔研究员 Rachel Dutton 正在使用该模型来揭示微生物如何在自然界中合作的细节。奶酪外皮中只有数十种物种协同工作，而不是更复杂环境中可能存在的数百或数千种，这为科学家提供了结合不同规模实验理解的能力。大规模基因测序可以与对一种或多种细菌物种在分离培养物中工作的更经典的微生物学实验相结合，从而更深入地了解微生物群落的生物学。
微生物学
在纯培养物中研究像实验室主力菌株大肠杆菌这样的细菌，使微生物学家能够在过去几十年中理清构成细胞新陈代谢的数千种化学反应。尽管进行了详尽的研究，但大肠杆菌基因组中 4000 多个基因中仍有近三分之一的功能未知。这些基因中的许多似乎对于在隔离的实验室条件下生长的细胞来说完全不必要——从大肠杆菌基因组中一次删除一个基因对细胞在试管中的生长情况没有影响。这些看似不必要的基因很可能实际上在细菌更自然的背景下被使用，被数百种其他微生物菌株和物种包围、竞争和交流。
这些其他菌株中有 99% 根本无法在实验室中分离和培养：它们需要动态的微生物环境才能生存，这使得很难理解它们如何单独地为微生物生态系统做出贡献。对存在于从马尾藻海到人类舌头等不同地方的所有微生物进行测序，使我们能够识别这些环境中微生物多样性的全部范围，但许多细节仍然缺失。来自系统生物学的项目，如 Dutton 对奶酪的分析，可以为我们仅从测序中学到的知识增加有价值的复杂性。
生物技术
合成生物学也可以解决微生物如何在混合培养物中协同工作的复杂性。“合成”可以指自然界中不存在的事物，也可以指这些事物的制造方式；合成是将两个或多个事物组合在一起以制造新事物。在新的生物学背景下将细胞或细胞组分组合在一起的合成生物学实验可以为我们提供关于生物系统如何在自然界中工作或为新的生物学实验提供工具的线索。温德尔·林和迈克尔·埃洛维茨在最近发表在《自然》杂志上的一篇评论文章“构建生命以理解生命”中探讨了生物学研究的这一新前沿：
传统上，生物学家一直致力于理解生命的存在方式。然而，从干细胞重编程到微生物工厂，研究人员越来越多地描述存在的事物并探索可能存在的事物。类似的转变发生在物理学和化学领域，尤其是在 19 世纪。与生物学一样，这些领域曾经专注于解释观察到的自然过程或物质，例如行星运动或“有机”分子。现在，他们研究物理和化学原理，这些原理支配着自然和人造系统中可能存在或不可能存在的事物，例如半导体和合成有机分子。
合成生物学和系统生物学正在许多令人兴奋的新方式中协同工作，以探索微生物合作，构建关于不同细菌菌株如何在恶劣环境中共享代谢物的数学模型，或使用细菌用于交流的系统“连接”新的细菌逻辑门。通过汇集不同的工程菌株，甚至不同的物种，我们可以探索微生物如何在自然界中交流，并创造单独物种无法实现的新功能。
超越两种文化
此外，作为一个相对较新的领域，合成生物学结合了工程师和生物学家的努力，它本身就展示了学术文化的复杂混合如何潜在地导致大于其各部分总和的结果。就像不同的细菌物种各自为群落的功能贡献独特的能力一样，每位研究人员都带来了他们自己的观点，他们自己发展该领域的方法。这些不同的观点使合成生物学成为现在的样子，但也可能导致有趣的“文化冲突”，因为不同的群体学会沟通和协同工作。林和埃洛维茨在他们的文章中描述了这种冲突
尽管传统的学科界限正在消融，但科学家和工程师之间的文化差异仍然强烈。对于生物学家来说，基因改造是一种理解自然系统的工具，而不是目的本身。因此，使生物系统“可工程化”——合成生物学领域工程师的目标——可能看起来毫无意义。许多生物学家想知道为什么工程师们不欣赏自然发生的复杂、美丽和精巧的设计。工程师们常常同样被生物学家搞糊涂了。为什么他们如此痴迷于特定系统的细节？为什么他们不欣赏用更简单、更模块化和更可预测的替代方案取代复杂且特异的系统的价值？这些误解可能会带来有趣的对话，但也可能阻碍互惠互利的协同作用。
在这里，我们也可以从微生物群落中学习，竞争在其中发挥着重要作用。关于什么“算作”合成生物学以及什么研究最有价值的激烈辩论，只要我们不让这些辩论分散对该群体成员正在做的积极工作的注意力，就可以有助于区分这个新领域并发展强大的研究计划。通常，这些辩论也突出了将个体链从复杂的群体中分离出来是多么困难。不仅仅是工程师在一边，生物学家在另一边，而是各种模糊的中间地带——介于科学和技术、纯粹研究和应用研究、有机和电子之间。合成生物学正在使用工程学来探索基础科学中的问题，在细菌世界和计算世界之间建立新的联系，使用新的科学来开发新的生物技术。C.P. 斯诺在《两种文化与科学革命》（PDF）中警告我们“数字 2 是一个非常危险的数字：这就是为什么辩证法是一个危险的过程。任何试图将事物分成两部分的行为都应该受到高度怀疑。” 将复杂的问题仅仅分成两个对立和独立的派别可能与生物单一种植一样危险和具有局限性。通过鼓励来自多方和中间利益的辩论和合作，我们可以建立更强大的社区。
实际上，工程师和生物学家并不是唯一对合成生物学的未来有强烈而复杂兴趣的人。正如总统生物伦理委员会的全新报告（PDF）正在世界各地的博客上讨论一样，这个新领域的未来以及它将如何影响技术和社会是很多人都在思考的问题。合成生物学如何融入科学和文化的这种可疑的二元分裂？我们如何将其他人的声音和担忧纳入新的科学和技术发展中？
我花了 11 月份思考这些问题，明确地在艺术和科学这两种文化之间工作，以解决合成生物学的未来。作为一名合成美学驻地研究员，我有一个大多数科学博士生闻所未闻的机会，我花了一个月的时间与艺术家、设计师和社会科学家一起学习和工作，试图找到共同点，以此构建更好的合成生物学。
合成美学驻地研究项目将像我这样的合成生物学家与艺术家和设计师配对，我很荣幸能与 Sissel Tolaas 合作，她将自己描述为不是艺术家，而是“专业的中间人”。她关于气味、我们如何通过气味进行交流的工作既是化学，也是艺术。她将识别气味的强大能力与专门的知识相结合，即哪种分子组合可以精确复制那种特定的复杂气味。我们在波士顿的我的实验室和柏林的她的实验室分别度过了两周时间，探索我们如何通过生物或化学手段隔离和重塑自然世界，我们的方法、我们的目标、我们的意图。
在奶酪中，我们找到了一个完美的“模式生物”。奶酪又臭又充满细菌，对于研究难闻气味的人和研究细菌群落的人来说，奶酪有很多东西可以提供。奶酪制作本身就是一种文化/科学混合体，一种由生物材料锻造而成的艺术形式，创造了一种受到数千年烹饪文化珍视的文化物品。
我们的驻地研究已经结束，但我们的项目才刚刚开始。随着我们更多地了解微生物群落并能更好地对其进行工程改造，奶酪或我们吃奶酪的方式会改变吗？随着我们对构成我们个人生态系统的数百万非人类细胞的欣赏增加，我们与食物和身体的关系会改变吗？我们能否通过欣赏所有涉及的混合文化，包括人类的和微生物的，来更好地设计生物学？
关于作者： Christina Agapakis 是哈佛医学院合成生物学专业的博士生，也是一位有抱负的工程师、设计师、艺术家和作家。她的博客是 Oscillator，推特是 @thisischristina。
此处表达的观点是作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点。