酵母与艺术：融合染色体创造新的酵母菌株

Jef Boeke和他的团队用酵母颜料在培养皿上创作了复杂的艺术作品。

　　

酵母因其在制作脆皮面包和泡沫啤酒中的作用而闻名，但它在许多方面都有广泛的应用。纽约大学的遗传学家Jef Boeke和他的团队在他们的实验室里使用酵母作为艺术媒介。这些科学家不用钢笔或画笔，而是利用遗传学、基因组学和合成生物学，将酵母培养物转化为充满活力的艺术品。

酵母艺术项目是在十多年前兴起的，作为Boeke在约翰霍普金斯大学的“构建基因组”课程的一个意想不到的分支。学生们学会了如何合成DNA，这一教育练习同时也是一个更广泛的项目的主要内容:创建一个完全合成的酿酒酵母真核基因组，称为Sc2.0.1

此外，学生们还利用同样的技术对酵母进行基因改造，以生产β -胡萝卜素，提高其营养价值，并将其灰白色变成黄色和橙色。这种色素的变化激发了Boeke的几个学生去探索酵母艺术的一面。

他们改良了酵母菌，利用生物微生物学在琼脂画布上创造出活的艺术品;一个机器人将每个酵母点或生物像素放置在琼脂板上。他们的第一件艺术品是向巴尔的摩啤酒厂国家波西米亚人的吉祥物Natty Boh致敬，具有三种颜色和384生物像素的分辨率。这个艺术方向成为Boeke和他的团队意想不到的有趣的业余项目。

当Boeke的实验室主管Aleksandra Wudzinska加入团队时，她热切地接受了与学生一起为这些设计创造更多颜色的机会。在他们热情的鼓舞下，Boeke支持这个项目，认为这是一种创造性的方式，可以培养好奇心，让社区参与到基因工程和微生物学的学习中来。

从大自然取样

为了将调色板扩展到白色、黄色和橙色之外，研究人员在方法上发挥了创造性。Boeke的团队将酵母金门克隆和通用基因组装系统技术结合起来，混合和匹配转录单位，以设计酵母来表达感兴趣的基因。受到大自然生动色彩的启发，他们结合了来自各种来源的基因。细菌色素紫色素产生绿色或深紫色，几乎是黑色的酵母。同时，来自海葵的色素编码基因可以产生蓝色，而来自珊瑚的基因可以产生淡紫色。

通过调整活跃基因的数量，“你可以通过改变基因的启动子和终止子的组合来改变某种颜色的阴影，”Wudzinska解释说。他们最初的调色板由三种颜色迅速扩展到近35种颜色。

Wudzinska还指出了制作新颜色的挑战。她补充说:“我们还尝试过将两种不同类型的酵母混合在一起，比如黄色和蓝色酵母，来制造绿色酵母。”尽管这些组合并没有产生截然不同的结果。她发现，独立的紫罗兰素生产酵母更适合在永恒的艺术作品中实现标志性的自然绿色。

像素绘画

自从Natty Boh之后，Boeke的实验室从巴勃罗·毕加索(Pablo Picasso)和约翰内斯·维米尔(Johannes Vermeer)等著名艺术家那里获得了数字灵感。最近，伍德津斯卡转向人工智能(AI)来探索街头艺术涂鸦等其他艺术风格。在这种方法中，他们将图像输入分配颜色的程序，并为Labcyte Echo 550液体处理器生成像素指令网格，最初用于DNA构建。

这台机器利用声波将2.5纳升的液滴精确地射到一个倒置的琼脂板上，创造出一幅高达25000生物像素的数字绘画图像。涂有酵母的培养皿在30°C下生长几天，然后研究人员将其冷藏，以提高颜色饱和度，防止过度生长。有些艺术品已经有三年前的历史了，尽管模糊不清，但图像还是可以辨认出来。

制作这些酵母画布的过程需要多次尝试才能恰到好处。Boeke说:“我们面临的挑战是，一些菌株比其他菌株生长得快，所以我们已经学会了通过增加某些颜色的滴度来弥补这一点。”然而，Boeke认为制作这些杰作的时间和精力对他们的劳动酵母来说是值得的。

展示酵母艺术

随着团队融入更多色调和复杂的设计，他们的作品得到了认可。自2016年以来，酵母艺术项目赢得了科学艺术比赛，并出现在杂志封面上。该团队还在2023年纽约科学院总部的盛大开幕式上展示了这些作品，但好奇的旁观者的手指弄脏了这些短暂的艺术品。这导致伍德津斯卡将艺术品包裹在环氧树脂中，以延长其寿命。

对于Boeke来说，酵母艺术代表了一种令人兴奋的科学与艺术的融合，他为此获得了资助，以支持教育推广。Boeke的团队将这些菌株发送给高中和本科科学课程，鼓励学生通过实践研讨会了解基因改造。博伊克说:“很多人对这项工作的反应真的很好，他们说，‘哦，这太有趣了，’因为你可以用基因工程酵母来创作艺术，这种酵母可以制造出所有这些美丽的颜色。”他对这个项目的发展表示兴奋，并希望能够处理10万生物像素的图像，尽管他仍在考虑最终的设计。

参考文献

• Richardson SM, et al. Design of a synthetic yeast genome. Science. 2017;355(6329):1040-1044. 

• Agmon N, et al. Yeast Golden Gate (yGG) for the efficient assembly of S. cerevisiae transcription units. ACS Synth Biol. 2015;4(7):853-859.

• Mitchell LA, et al. Versatile genetic assembly system (VEGAS) to assemble pathways for expression in S.?cerevisiae. Nucleic Acids Res. 2015;43(13):6620-6630.