酵母在發(fā)酵時(shí)需要黑暗的環(huán)境，暴露在光線下會阻礙甚至破壞這一過程。美國佐治亞理工學(xué)院的科學(xué)家在國際上首次設(shè)計(jì)出在光照下更“快樂”的光動力酵母菌株，生長速度就比在黑暗中快2%。相關(guān)研究成果1月12日發(fā)表于《當(dāng)代生物學(xué)》。
光營養(yǎng)代謝指捕獲光作為能量來源，對生物界非常重要，增加了生物圈的總能量。基于葉綠素的光合作用是最常見的光營養(yǎng)代謝，但植物并不是自然界唯一能將光轉(zhuǎn)化為能量的生物，視網(wǎng)膜上的視紫紅質(zhì)傳遞的光能幾乎與葉綠素一樣多，且存在于更多的物種譜系中。
該研究的主要作者Autumn Peterson說：“視紫紅質(zhì)遍布生命之樹，顯然是由生物體在進(jìn)化過程中相互獲得基因而獲得的。”
這種類型的基因交換被稱為水平基因轉(zhuǎn)移，涉及在親緣關(guān)系不密切的生物體之間共享遺傳信息。水平基因轉(zhuǎn)移可以在短時(shí)間內(nèi)引起看似巨大的進(jìn)化跳躍，比如細(xì)菌迅速對某些抗生素產(chǎn)生耐藥性。
但是，視紫紅質(zhì)基因是如何進(jìn)入具有復(fù)雜內(nèi)膜結(jié)構(gòu)的真核細(xì)胞的？
為了解答這一問題，研究團(tuán)隊(duì)選擇酵母這種單細(xì)胞真核微生物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。他們將一種由寄生真菌合成的視紫紅質(zhì)基因插入普通酵母細(xì)胞的液泡中。結(jié)果，配備了視紫紅質(zhì)液泡的酵母，在光照下生長速度不僅沒有減慢，反而提高了約2%。
“坦率地說，我們對將酵母轉(zhuǎn)化為光生物的簡單程度感到震驚。”該研究的通訊作者Anthony Burnetti表示。
改動基因后，酵母在光照下生長更快。圖片來源：佐治亞理工學(xué)院
這項(xiàng)研究的靈感來自該小組之前對多細(xì)胞生命進(jìn)化的研究。去年，他們曾在《自然》發(fā)文，介紹了單細(xì)胞模式生物“雪花酵母”如何通過3000多代進(jìn)化，成為多細(xì)胞生物。在那項(xiàng)研究中，他們發(fā)現(xiàn)細(xì)胞進(jìn)化的一個(gè)主要限制：能量。
Burnetti表示，由于氧氣很難深入組織，因此組織無法獲得能量。而在不使用氧氣的情況下，給生物體增加能量的另一種方法是通過光。從進(jìn)化的角度來看，生物體將光轉(zhuǎn)化為能量的分子機(jī)制要比利用氧氣獲得能量復(fù)雜得多，涉及大量很難在實(shí)驗(yàn)室和自然進(jìn)化中獲得的基因和蛋白質(zhì)。
此項(xiàng)研究則解釋了為什么視紫紅質(zhì)能夠在不同譜系的生物中廣泛存在——它無須進(jìn)化優(yōu)化，可以在沒有額外細(xì)胞機(jī)制的情況下將光轉(zhuǎn)化為能量，為生物體提供了新的生物功能，從而獲得進(jìn)化優(yōu)勢。
由于液泡功能與細(xì)胞衰老有關(guān)，該小組還在研究加入視紫紅質(zhì)的酵母能否減緩衰老。其他研究小組已經(jīng)在利用光動力酵母來研究合成生物燃料。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cub.2023.12.044
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