这种酵母喜欢光

与一些在黑暗中茁壮成长的美丽金属植物不同，酵母在光照下通常无法很好地发挥作用。这种真菌在黑暗中发酵时会将碳水化合物转化为啤酒或面包的原料。它必须存放在黑暗干燥的地方，因为暴露在光线下会阻止发酵的发生。然而，一组科学家已经设计出一种酵母菌株，它实际上可能在光照下工作得更好，这可能会以一种简单的方式促进这些真菌的进化。这项研究发表在 1 月 12 日发表在《当代生物学》杂志上的一项研究中。

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“坦白说，我们对将酵母转化成光养生物（能够利用和利用光能的生物）如此简单感到震惊，”研究合著者、佐治亚理工学院细胞生物学家安东尼·伯内蒂在一份声明中说。“我们只需要移动一个基因，它们在光照下的生长速度就比在黑暗中快 2%。无需任何微调或精心诱导，它就成功了。”

赋予酵母这种具有进化重要性的特征可能有助于我们了解向光性是如何起源的，以及如何利用它来研究进化和生物燃料的生产，以及细胞如何衰老。

给它一些能量

该研究小组之前对多细胞生命进化的研究启发了这项新研究。2023 年，该小组发现了一种名为雪花酵母的单细胞模型生物如何在 3,000 代内进化出多细胞性。然而，他们的进化实验的主要限制之一是缺乏能量。

“氧气很难扩散到组织深处，因此组织无法获得能量，”伯内蒂说。“我一直在寻找突破这种以氧气为基础的能量限制的方法。”

光是生物体在没有氧气的情况下获得能量提升的方式之一。然而，从进化的角度来看，生物体将光转化为可用能量的能力可能很复杂。允许植物利用光来获取能量的分子机制需要大量蛋白质和基因，这些蛋白质和基因很难合成并转移到其他生物体中。这在实验室中和通过进化等自然过程很难实现。

简单的视紫红质

植物并不是唯一能够将光转化为能量的生物。一些植物生物也可以在视紫红质的帮助下利用这种光。这些蛋白质可以在没有任何额外细胞机制的情况下将光转化为能量。

这项研究的共同作者、佐治亚理工学院的博士生奥特姆·彼得森 (Autumn Peterson) 在一份声明中表示：“视紫红质遍布于生命之树，显然是生物在进化过程中通过相互获取基因而获得的。”

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这样的基因交换被称为水平基因转移，即基因信息在不密切相关的生物之间共享。水平基因转移可以在短时间内引起巨大的进化飞跃。其中一个例子就是细菌如何快速对某些抗生素产生耐药性。这种情况可能发生在各种遗传信息上，在视紫红质蛋白质中尤其常见。

伯内蒂说：“在研究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以前从未发生过的普通单细胞酵母中，了解过去进化过程中发生过的视紫红质的水平转移。”

聚光灯下

为了研究能否为单细胞生物提供太阳能驱动的视紫红质，研究小组将寄生真菌合成的视紫红质基因添加到普通面包酵母中。该基因编码为一种视紫红质，可插入细胞液泡中。这是细胞的一部分，可以将视紫红质等蛋白质产生的化学梯度转化为所需的能量。

有了这种液泡视紫红质，酵母在光照下生长速度大约快了 2%。据该团队称，这是一项重大的进化优势，而视紫红质能够轻易地跨多个谱系传播可能是关键。

“我们有一个基因，我们只是将它从一个环境中转移到一个以前从未有过光养生物的谱系中，它就起作用了，”伯内蒂说。“这表明这种系统至少有时在新的生物体中确实很容易发挥作用。”

在光照下功能更好的酵母也可以延长其保质期。液泡功能也可能导致细胞衰老，因此该团队已开始与其他团队合作，研究视紫红质如何减少酵母的衰老效应。类似的太阳能酵母也在研究中，以推进生物燃料的发展。该团队还希望研究光营养如何改变酵母向多细胞生物的进化历程。