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，乳酸菌在食品工業(yè)、健康醫(yī)療、農(nóng)業(yè)和生態(tài)保護等領域廣泛應用，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，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)大學乳品生物技術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)中國食品科學技術學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)資源庫凝結了內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學乳品生物技術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)資源庫建設滯后、優(yōu)良菌株篩選技術匱乏，也沒有自主研發(fā)乳酸菌的技術與能力。

“當時有關乳制品發(fā)酵劑的研發(fā)技術、知識產(chǎn)權以及菌種和產(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)育關系復雜，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鍵功能區(qū)域，高效地分析乳酸菌的功能特性和潛在應用價值，推動乳酸菌在食品、健康和農(nóng)業(yè)等領域的創(chuàng)新應用。

“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，為核心技術國產(chǎn)化奠定基礎。

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。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。利用深度機器學習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