研究人员创造了光动力酵母，为进化、生物燃料、细胞老化提供了见解

你可能对酵母很熟悉，因为当它在黑暗中发酵时，它能把碳水化合物转化成面包和啤酒之类的产品。在这些情况下，暴露在光线下会阻碍甚至破坏这个过程。

在发表于的一项新研究中当代生物学佐治亚理工学院生物科学学院的研究人员已经培育出世界上第一种酵母株，这种酵母可能会在开灯时更开心。

“坦率地说，我们对将酵母转化为光营养生物(可以利用和利用光能的生物)如此简单感到震惊，”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·伯内蒂说。他也是这项研究的通讯作者。“我们需要做的只是移动一个基因，它们在阳光下的生长速度比黑暗中快2%。没有任何微调或精心哄骗，它就这样成功了。”

容易地为酵母配备这样一种进化上重要的特征对于我们理解这种特征的起源以及如何将其用于研究生物燃料生产、进化和细胞衰老等问题具有重大意义。

寻找能量提升

这项研究受到该小组过去研究多细胞生命进化的启发。该小组于2007年发表了他们的第一份多细胞长期进化实验报告自然去年，揭示了他们的单细胞模式生物“雪花酵母”是如何在3000多代中进化出多细胞的。

在这些进化实验中，多细胞进化的一个主要限制出现了:能量。

伯内蒂说:“氧气很难扩散到组织深处，结果你得到的组织没有能力获得能量。”“我在寻找绕过这种基于氧气的能量限制的方法。“

一种不用氧气就能给生物体提供能量的方法是通过光。但是从进化的角度来看，将光转化为可用能量的能力可能很复杂。例如，允许植物利用光获取能量的分子机制涉及一系列难以合成和转移到其他生物体的基因和蛋白质——无论是在实验室还是通过进化自然形成的。

幸运的是，植物不是唯一能将光能转化为能量的生物。

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:一种无需额外细胞机械即可将光转化为能量的蛋白质。

“在生命之树上到处都可以发现视紫红质，显然是生物在进化过程中从彼此那里获得基因而获得的，”与拉特克利夫一起工作的生物学博士生、该研究的第一作者Autumn Peterson说。

这种类型的基因交换被称为水平基因转移，包括在关系不密切的生物之间共享遗传信息。横向基因转移可以在短时间内引起看似巨大的进化飞跃，比如细菌如何迅速对某些抗生素产生耐药性。这可能发生在各种遗传信息中，在视紫红质蛋白中尤为常见。

Burnetti解释说:“在寻找一种方法使视紫红质进入多细胞酵母的过程中，我们发现可以通过将视紫红质转移到以前从未出现过的常规单细胞酵母中来了解视紫红质的水平转移。”

为了看看他们是否能给单细胞生物配备太阳能视紫红质，研究人员在普通面包酵母中添加了一种从寄生真菌合成的视紫红质基因。这种特殊的基因编码了一种视紫红质，可以插入细胞的液泡中，这是细胞的一部分，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。

这种酵母配有液泡视紫红质，点燃后生长速度大约快了2%，这对进化来说是一个巨大的好处。

伯内蒂说:“在这里我们只有一个基因，我们只是将它拉进一个以前从未有过光营养细胞的谱系中，它就这样工作了。”“这表明，这种系统确实很容易在新的有机体中发挥作用，至少有时如此。”

彼得森解释说，这种简单性提供了关键的进化见解，并在很大程度上说明了“视紫红质能够在如此多的谱系中传播的容易程度及其原因”。彼得森最近因其工作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作家Carina Baskett也参与了这项研究。

因为液泡功能可能有助于细胞老化，该小组还发起了合作研究视紫红质如何能够减少酵母中的老化效应。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巨大进步。

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)。“我们想给它光营养，看看它如何改变自己的进化。“

来源: Materials provided by Georgia Institute of Technology.
注明: Content may be edited for style and length. Journal References: Autumn Peterson, Carina Baskett, William C. Ratcliff, Anthony Burnetti. Transforming yeast into a facultative photoheterotroph via expression of vacuolar rhodopsin. Current Biology, 2024; DOI: 10.1016/j.cub.2023.12.044 G. Ozan Bozdag, Seyed Alireza Zamani-Dahaj, Thomas C. Day, Penelope C. Kahn, Anthony J. Burnetti, Dung T. Lac, Kai Tong, Peter L. Conlin, Aishwarya H. Balwani, Eva L. Dyer, Peter J. Yunker, William C. Ratcliff. De novo evolution of macroscopic multicellularity. Nature, 2023; 617 (7962): 747 DOI: 10.1038/s41586-023-06052-1