对进化、生物燃料、细胞衰老的新见解，生物学家开发了光动力酵母

酵母通常以其将碳水化合物发酵成面包和啤酒等产品的能力而闻名，通常需要黑暗的环境。在这些情况下，暴露在光线下会破坏或破坏发酵过程。

然而，佐治亚理工学院生物科学学院的研究人员最近发表在《当代生物学》上的一项研究提出了一个突破性的发展：他们设计了第一批酵母菌株之一，这种酵母菌株可能会在灯亮时更快乐。

“坦率地说，我们对将酵母转化为光养生物（可以利用和利用光的能量的生物）是多么简单感到震惊，”在威廉·拉特克利夫副教授实验室工作的研究科学家安东尼·伯内蒂（Anthony Burnetti）说，该研究的通讯作者。“我们需要做的就是移动一个基因，它们在光照下比在黑暗中生长快2%。没有任何微调或仔细的哄骗，它就奏效了。

很容易地为酵母配备如此重要的进化特征，对于我们理解这种特征是如何起源的，以及如何利用它来研究生物燃料生产、进化和细胞衰老等问题可能意味着重大意义。

该研究的主要作者、生物学博士生Autumn Peterson在实验室里与该研究的通讯作者、研究科学家Anthony Burnetti一起观察酵母细胞。图片来源：佐治亚理工学院的 Audra Davidson

寻找能量提升

这项研究的灵感来自该小组过去研究多细胞生命进化的工作。该小组去年在《自然》杂志上发表了他们的第一份关于多细胞长期进化实验（MuLTEE）的报告，揭示了他们的单细胞模式生物“雪花酵母”如何能够在3000代中进化出多细胞性。

在这些进化实验中，出现了多细胞进化的一个主要限制：能量。

“氧气很难扩散到组织深处，因此你得到的组织无法获得能量，”Burnetti说。“我一直在寻找绕过这种基于氧气的能量限制的方法。”

在不使用氧气的情况下为生物体提供能量提升的一种方法是通过光。然而，从进化的角度来看，将光转化为可用能量的能力可能很复杂。例如，允许植物利用光作为能量的分子机制涉及许多基因和蛋白质，这些基因和蛋白质很难合成并转移到其他生物体中——无论是在实验室中还是通过进化自然。

幸运的是，植物并不是唯一可以将光转化为能量的生物。

保持简单

生物体使用光的一种更简单的方法是使用视紫红质：这种蛋白质可以在没有额外的细胞机制的情况下将光转化为能量。

“视紫红质遍布生命之树，显然是由生物体在进化过程中相互获取基因获得的，”与拉特克利夫合作的生物学博士生、该研究的主要作者Autumn Peterson说。

这种类型的遗传交换称为水平基因转移，涉及在不密切相关的生物体之间共享遗传信息。水平基因转移可以在短时间内引起看似巨大的进化跳跃，就像细菌如何迅速对某些抗生素产生耐药性一样。这可能发生在各种遗传信息中，在视紫红质蛋白中尤为常见。

“在寻找一种将视紫红质转化为多细胞酵母的方法的过程中，”Burnetti解释说，“我们发现我们可以通过将视紫红质转移到以前从未有过的常规单细胞酵母中来了解过去在进化过程中发生的视紫红质的水平转移。

为了看看他们是否可以为单细胞生物配备太阳能视紫红质，研究人员将一种由寄生真菌合成的视紫红质基因添加到普通面包酵母中。这个特定的基因被编码为一种视紫红质，这种视紫红质将入细胞的液泡中，液泡是细胞的一部分，就像线粒体一样，可以将视紫红质等蛋白质产生的化学梯度转化为能量。

配备液泡视紫红质，酵母在点燃时生长速度约为 2%——这在进化方面是一个巨大的好处。

“在这里，我们有一个单一的基因，我们只是把它拉到一个以前从未有过光养生物的谱系中，它只是起作用，”Burnetti说。“这表明，这种系统确实很容易，至少有时，在一个新的有机体中发挥作用。

这种简单性提供了关键的进化见解，并说明了很多关于“视紫红质能够传播到如此多的谱系的容易程度以及为什么会这样，”彼得森解释说，彼得森最近获得了霍华德休斯医学研究所（HHMI）吉列姆奖学金。佐治亚理工学院微生物动力学和感染中心的资助作者Carina Baskett也参与了这项研究。

由于液泡功能可能导致细胞衰老，该小组还启动了合作，研究视紫红质如何能够减少酵母的衰老效应。其他研究人员已经开始使用类似的新型太阳能酵母来研究推进生物生产，这可能标志着合成生物燃料等方面的重大改进。

然而，拉特克利夫和他的团队大多热衷于探索这种额外的好处如何影响单细胞酵母向多细胞生物的旅程。

“我们有这个美丽的简单多细胞模型系统，”Burnetti说，他指的是长期运行的多细胞长期进化实验（MuLTEE）。“我们想给它光养，看看它如何改变它的进化。