做一只生物狗是怎样一种体验?抓小白鼠不成反被咬了手,解剖一下午蛔虫发现晚饭吃豆芽,还是辛苦一年种的葡萄一夜之间被偷个精光?这些“光辉事迹”可能够大家挂在嘴边说一辈子,然而却远非实验室工作的日常。对于生物狗来说,只有琼脂是永恒的。很难找到比琼脂更温柔的实验材料了,你让它顺滑它就可以顺滑,让它黏密它就可以黏密,丰满亦可苗条亦可,可方可圆,可长可短——全看你的配方和容器。
要说琼脂,我们需要从今天的主角“石花菜”说起。石花菜并不是蔬菜(辜负了它的“菜”名),像海带、紫菜一样,它是一类海藻。
在中国海域分布的石花菜有十多种,但其中最常见的不过五种,分别是在黄渤海扎根的石花菜(Gelidium amansii)本尊,以及喜欢生活在亚热带海洋的中肋石花菜(G. japonicum)、广布于中国各海域的小石花菜(G. divaricatum)、主要产自浙江福建的大石花菜(G. pacificum)、主要产自福建台湾的细毛石花菜(G. crinale)。
餐桌上的石花菜并不是它原来的样子。石花菜的颜色来自藻红素,然而藻红素并不稳定,容易分解。在采收石花菜的时候,都有水里洗干净,除去附着物, 然后再晒干贮存的工序,甚至还有专门的漂白加工,这样一趟折腾下来,藻红素根本就剩不下来。就算是熬过了这些步骤,残存的藻红素入锅一煮也就啥都不剩了,煮熟的紫菜会由紫变绿,也是这个道理。
石花菜的主要成分是琼脂,是琼脂糖与琼脂胶组成的混合物;作为一种多糖,琼脂糖似乎应该作为能量来源。然而因为其特殊的结构,想要消化琼脂并不容易。海胆体内并没有完整消化琼脂糖的酶,想要消化吸收石花菜里的营养,还需要依赖共生的特定细菌——只有它们才能将琼脂糖降解成可以消化的糖类。这样的共生关系其实在陆地上也存在,白蚁也是通过消化道内的微生物来处理难以降解的木质素、纤维素的。
琼脂的发现纯属偶然。根据日本传说,琼脂发现于江户初期的1685年,发现者是山城国(现京都府南部)一家酒店的老板,美浓太郎左卫门。他发现扔在门口的石花菜汤在夜里凝结成了像果冻一样的东西,即使在白天也不会融化,直到晒干之后变成了坚硬的白色物质。自此,用石花菜煮琼脂这个技艺就开始流传开来。
琼脂相当稳定,在温和的条件下很少与其他物质发生反应,因此,如果你需要让液体固化而基本不影响其生化特质的话,稍微加点琼脂,煮沸放凉就好了——这让它在生物学实验室里有着巨大的发挥空间。1881年,德国著名科学家,细菌学创始人之一罗伯特·科赫的实验室里,一位技术员将琼脂加入了液体培养基里,琼脂平板培养基从此成为了医学、细菌学、微生物学的必需品。
相比液体培养,琼脂平板培养基可以给细菌提供稳定的生长环境,为后续的观察、分离、研究提供了巨大的便利。
直到1966年,科学家们给琼脂安排了一份更重要的工作,那就是电泳。电泳用到的其实是琼脂进一步精炼得到的琼脂糖——法国科学家早在1859年就从琼脂中分离得到了它,没想到百年之后它才在科研领域大放异彩。琼脂糖本身就足以结成凝胶,与之相伴的琼脂胶因为自身的结构会对电泳产生影响,所以必须被除去。
电泳,顾名思义,就是在电的驱动下游泳,琼脂糖凝胶便是一块理想的泳池。从生物中提取到的核酸(包括DNA、RNA)是一种带有电荷的分子,在外加电压的驱动下,这些分子在琼脂糖凝胶的孔洞中艰难跋涉。
分子大小不同受到的阻力不同,加上所带电荷的差别,让不同分子在泳池中行进速度各不相同;在凝胶中行进一段时间之后,化学性质并无二致,只是长短、结构不同的同类分子,就可以清晰地区分开——而不论是依赖离心机还是层析柱,都无法达到类似的效果。