研究人员创造了光动力酵母为进化生物燃料细胞衰老提供了见解

您可能熟悉酵母，它是一种生物体，当在黑暗中发酵时，它可以将碳水化合物转化为面包和啤酒等产品。在这些情况下，暴露在光线下会阻碍甚至破坏该过程。

在《当代生物学》上发表的一项新研究中，佐治亚理工学院生物科学学院的研究人员培育出了世界上第一批酵母菌株，这种酵母菌株可能会更喜欢光照。

“坦率地说，我们对将酵母转变为光养生物(能够利用和利用光能的生物体)如此简单感到震惊，”威廉·拉特克利夫副教授实验室的研究科学家、该论文的通讯作者安东尼·伯内蒂说。学习。“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%。无需任何微调或仔细哄骗，它就奏效了。”

轻松地为酵母配备如此重要的进化特征，对于我们了解这种特征的起源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来说意义重大。

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型生物“雪花酵母”如何能够进化出多细胞生物超过 3000 代。

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，因此组织无法获取能量，”伯内蒂说。“我一直在寻找解决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的一种方法是通过光。但从进化的角度来看，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大量基因和蛋白质，这些基因和蛋白质很难合成并转移到其他生物体——无论是在实验室还是通过自然进化。

幸运的是，植物并不是唯一可以将光转化为能量的生物体。

保持简单

生物体利用光的一种更简单的方法是使用视紫红质：无需额外的细胞机制即可将光转化为能量的蛋白质。

“视紫红质遍布生命之树，显然是生物体在进化过程中从彼此获取基因而获得的，”生物学博士奥特姆·彼得森 (Autumn Peterson)说。与拉特克利夫一起工作的学生和该研究的主要作者。

这种类型的基因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。这种情况可能发生在各种遗传信息中，对于视紫红质蛋白尤其常见。

伯内蒂解释说：“在寻找一种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视紫红质转移到常规的单细胞酵母中来了解过去进化过程中发生的视紫红质的水平转移。酵母在以前从未出现过的地方。”

为了看看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。这种特定的基因被编码为一种视紫红质，它将被插入细胞的液泡中，液泡是细胞的一部分，与线粒体一样，可以将视紫红质等蛋白质产生的化学梯度转化为能量。

配备了液泡视紫红质的酵母在光照下生长速度加快了大约 2%——这对进化来说是一个巨大的好处。

“在这里，我们有一个基因，我们只是将它跨环境拉入一个以前从未成为光养生物的谱系，而且它就起作用了，”伯内蒂说。“这表明，这种系统确实很容易在新的有机体中完成其工作，至少有时是这样。”

这种简单性提供了关键的进化见解，并充分说明了“视紫红质能够轻松地在如此多的谱系中传播以及为什么会如此”，彼得森最近接受了霍华德休斯医学研究所 (HHMI) 吉列姆的邀请。为她的工作提供奖学金。佐治亚理工学院微生物动力学和感染中心的资助作者卡琳娜·巴斯克特 (Carina Baskett)也参与了这项研究。

由于液泡功能可能会导致细胞衰老，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影响。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先进的生物生产，这可能标志着合成生物燃料等方面的重大进步。

然而，拉特克利夫和他的团队最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。

“我们拥有这个美丽的简单多细胞模型系统，”伯内蒂说，他指的是长期运行的多细胞长期进化实验(MuLTEE)。“我们想要让它能够光养，看看它如何改变它的进化。”