你可能對酵母很熟悉，因為當在黑暗中發酵時，它可以將碳水化合物轉化為麵包和啤酒等產品。在這些情況下，暴露在光線下會阻礙甚至破壞這個過程。在《當代生物學》上發表的一項新研究中，佐治亞理工學院生物科學學院的研究人員已經設計出了世界上第一個光能酵母菌株，這種酵母更喜歡光亮的環境。

Anthony Burnett說:「坦白說，我們對將酵母轉化為光養生物(能夠利用光能的生物)是多麼簡單感到震驚。我們所需要做的就是移動一個基因，它們在光照下的生長速度比在黑暗中快2%。沒有任何微調或精心的哄騙，它就是有效的。”

很容易地為酵母配備這樣一個進化上重要的特徵，可能對我們理解這種特徵是如何起源的意義重大，以及如何將其用於研究生物燃料生產、進化和細胞老化等問題。

尋找能量提升

這項研究的靈感來自於該團隊過去研究多細胞生命進化的工作。該團隊去年在《自然》雜誌上發表了他們的第一份關於多細胞長期進化實驗(MuLTEE)的報告，揭示了他們的單細胞模式生物「雪花酵母」是如何在3000代的時間裡進化出多細胞的。

在這些進化實驗中，出現了多細胞進化的一個主要限制:能量。

“氧氣很難擴散到組織深處，因此你得到的組織沒有能力獲得能量。”“我一直在尋找繞過這種基於氧的能量限制的方法。”

在不使用氧氣的情況下給生物體提供能量的一種方法是透過光。但是從演化的角度來看，將光轉化為可用能量的能力是複雜的。例如，允許植物利用光作為能量的分子機制涉及許多基因和蛋白質，這些基因和蛋白質在實驗室和自然進化中都很難合成和轉移到其他生物體中。

幸運的是，植物並不是唯一能將光轉化為能量的生物。

保持簡單

生物體利用光的一種更簡單的方法是利用視紫質:一種無需額外的細胞機制就能將光轉化為能量的蛋白質。

該研究的主要作者Autumn Peterson說:“視紫紅質在生命之樹上隨處可見，顯然是生物體在進化過程中相互獲取基因而獲得的。”

這種類型的基因交換被稱為水平基因轉移，涉及在不密切相關的生物體之間共享遺傳訊息。水平基因轉移可以在短時間內引起看似巨大的進化跳躍，例如細菌如何迅速對某些抗生素產生抗藥性。這可能發生在所有的遺傳訊息中，特別是在視紫質蛋白中。

“在尋找將視紫質轉移到多細胞酵母中的方法的過程中，我們發現我們可以通過將其轉移到常規的單細胞酵母中來了解過去在進化過程中發生的視紫紅質水平轉移。”

為了觀察他們是否能為單細胞生物配備太陽能視紫質，研究人員將一種由寄生真菌合成的視紫質基因添加到普通的麵包酵母中。這種特殊的基因被編碼為一種視紫質，這種視紫質會被插入細胞的液泡中，液泡是細胞的一部分，像粒線體一樣，可以將視紫質等蛋白質產生的化學梯度轉化為能量。

配備了空泡紫紅質，酵母在光照下的生長速度大約快了2%——這對進化來說是一個巨大的優勢。

「在這裡，我們有一個單一的基因，我們只是把它跨環境拉到一個以前從未有過光養性的譜系中，它就這樣工作了。」「這表明，這種系統真的很容易，至少有時，在一個新的有機體中發揮作用。”

這種簡單性提供了關鍵的演化見解，研究人員說明了「視紫質能夠輕易地在如此多的譜系中傳播，以及為什麼會這樣」。

由於空泡功能可能有助於細胞衰老，該團隊也開始合作研究視紫質如何能減少酵母的衰老效應。其他研究人員已經開始使用類似的新型太陽能酵母來研究推進生物生產，這可能標誌著生物燃料合成等方面的重大進展。

然而，這一團隊更熱衷於探索這種額外的好處如何影響單細胞酵母向多細胞生物的轉變。

「我們有這個美麗的簡單多細胞模型系統，」Burnett說，他指的是長期運行的多細胞長期進化實驗(MuLTEE)。“我們想給它光營養，看看它是如何改變它的進化的。”