光动力酵母：对进化、生物燃料、细胞衰老的新见解

蓝色细胞壁内的绿色视紫红质蛋白帮助这些酵母在光照下生长得更快。

　　

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，这通常需要黑暗的环境。在这种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《Current Biology》杂志上的一项研究提出了一项突破性的进展:他们设计了第一批酵母品种之一，这种酵母可能在灯亮的情况下更快乐。

Anthony Burnetti是William Ratcliff副教授实验室的研究科学家，也是这项研究的通讯作者，他说:“坦率地说，我们对将酵母转化为光养生物(能够利用光能的生物)是多么简单感到震惊。我们所需要做的就是移动一个基因，它们在光照下的生长速度比在黑暗中快2%。没有任何微调或精心的哄骗，它就是有效的。”

很容易地为酵母配备这样一个进化上重要的特征，可能对我们理解这种特征是如何起源的意义重大，以及如何将其用于研究生物燃料生产、进化和细胞老化等问题。

生物学博士生Autumn Peterson是这项研究的主要作者，他和研究科学家Anthony Burnetti在实验室里观察酵母细胞。

寻找能量提升

这项研究的灵感来自于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”是如何在3000代的时间里进化出多细胞的。

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。

Burnetti说:“氧气很难扩散到组织深处，因此你得到的组织没有能力获得能量。我一直在寻找绕过这种基于氧的能量限制的方法。”

在不使用氧气的情况下给生物体提供能量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是复杂的。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，这些基因和蛋白质在实验室和自然进化中都很难合成和转移到其他生物体中。

幸运的是，植物并不是唯一能将光转化为能量的生物。

保持简单

生物体利用光的一种更简单的方法是利用视紫红质:一种无需额外的细胞机制就能将光转化为能量的蛋白质。

与Ratcliff一起工作的生物学博士生、该研究的主要作者Autumn Peterson说:“视紫红质在生命之树上随处可见，显然是生物体在进化过程中相互获取基因而获得的。”

这种类型的基因交换被称为水平基因转移，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，比如细菌如何迅速对某些抗生素产生耐药性。这可能发生在所有的遗传信息中，特别是在视紫红质蛋白中。

Burnetti解释说:“在寻找将视紫红质转移到多细胞酵母中的方法的过程中，我们发现我们可以通过将其转移到常规的单细胞酵母中来了解过去在进化过程中发生的视紫红质水平转移。”

为了观察他们是否能给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的面包酵母中。这种特殊的基因被编码为一种视紫红质，这种视紫红质会被插入细胞的液泡中，液泡是细胞的一部分，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。

配备了空泡紫红质，酵母在光照下的生长速度大约快了2%——这对进化来说是一个巨大的好处。

Burnetti说:“在这里，我们有一个单一的基因，我们只是把它跨环境拉到一个以前从未有过光养性的谱系中，它就这样工作了。这表明，这种系统真的很容易，至少有时，在一个新的有机体中发挥作用。”

Peterson解释说，这种简单性提供了关键的进化见解，并说明了“视紫红质能够轻易地在如此多的谱系中传播，以及为什么会这样”。

由于空泡功能可能有助于细胞衰老，该小组也开始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，这可能标志着生物燃料合成等方面的重大进步。

然而，Ratcliff和他的团队更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转变。

“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)。“我们想给它光营养，看看它是如何改变它的进化的。”

参考文献:“Transforming yeast into a facultative photoheterotroph via expression of vacuolar rhodopsin” by Autumn Peterson, Carina Baskett, William C. Ratcliff and Anthony Burnetti, 12 January 2024, Current Biology.
DOI: 10.1016/j.cub.2023.12.044