北卡羅來納大學夏洛特分校（University of North Carolina at Charlotte）生物資訊學助理教授阿比蓋爾-萊維特-拉貝拉（Abigail Leavitt LaBella）共同領導了一項雄心勃勃的研究，該研究發表在著名的《科學》雜誌上。這些發現對研究酵母演化的公認框架提出了挑戰，並提供了一個極其豐富的酵母分析資料集，可能對未來的演化生物學和生物資訊學研究產生重大影響。

一項研究透過對1000 多個菌株進行人工智慧分析，揭示了酵母進化的新見解，挑戰了舊範式，並為推進多個科學領域的研究提供了一個全面的數據集。酵母菌群（人工著色）。資料來源：夏洛特聯合國大學

拉貝拉於2022年以助理教授和研究員的身份加入夏洛特聯合國大學計算機與資訊學院的生物資訊學系，在北卡羅來納研究園區與共同第一作者、維拉諾瓦大學的Dana A. Opulente一起進行了這項研究。他們與范德比爾特大學和威斯康辛大學麥迪遜分校的研究人員以及來自全球各地研究機構的同事進行了合作。

這是Y1000+計畫拉貝拉在范德堡大學擔任博士後研究員時加入了該項目，這是一項大規模的機構間酵母基因組測序和表型工作。

“酵母是單細胞真菌，在我們的日常生活中發揮著至關重要的作用。它們被用來製造麵包和啤酒，也用於醫藥生產，也會引起感染，作為動物的近親，它們還可以幫助我們了解癌症是如何發生的，」拉貝拉說。 “我們想知道這些小型真菌是如何進化到擁有如此多的功能和特徵的。透過對一千多種酵母菌的特徵描述，我們發現酵母菌並不符合’無所不能’的諺語。”

這項研究有助於人們基本上了解微生物如何隨時間變化，同時產生了900 多個新的酵母菌基因組序列，其中許多序列可用於生物真菌領域，如農業害蟲防治、藥物開發和生物燃料生產。

拉貝拉和她的合著者透過對Y1000+ 專案資料集（包括1154 株古老的單細胞酵母Saccaromycotina）進行人工智慧輔助機器學習分析，試圖回答一個重要問題。那就是為什麼有些酵母菌只吃（或代謝）幾種碳作為能量，有些酵母菌能吃十幾種碳？

阿比蓋爾-萊維特-拉貝拉。資料來源：夏洛特聯合國大學

一種酵母用於獲取能量的碳源總數在生態學上稱為其碳生態位廣度（carbon niche-breadth）。人類的碳生態位廣度也各不相同，例如，有些人可以代謝乳糖，有些人則不能。

演化生物學研究支持關於生態位廣度的兩個關鍵的總體範式，即解釋為什麼一些酵母生物（”專科生物”）在進化過程中只能代謝少量的碳作為燃料，而另一些酵母生物（”通性酵母”）在演化過程中能夠消耗和生長多種碳形式的現象。值得注意的是，在後一種情況下，處理多種碳形式的能力是以犧牲酵母有效處理和生長每種碳形式的能力為代價的。第二種情況是，這些酵母專精和專精酵母在演化過程中，由於各自基因組的不同內在特徵和酵母生物所處的不同環境的不同外在影響的共同作用，使得它們出現了各自的特徵。

拉貝拉和她的同事發現了大量證據，支持酵母專家與普通專家之間存在著可識別的內在基因差異，特別是普通專家往往比專家擁有更多的基因。例如，他們發現通性酵母菌更有可能合成肉鹼，肉鹼是一種參與能量生產的分子，經常作為運動補充劑出售。

但出乎意料的是，他們的研究發現，在進化過程中，酵母處理多種形式碳的能力是以犧牲其高效處理碳和相應生長的能力為代”價的，反之亦然。

拉貝拉說：「我們發現，能在大量碳基質上生長的酵母菌實際上生長得非常好。這是一個讓我們非常驚訝的發現。

這項具體實驗的發現以及在分析中使用的創新機器學習機制可能會對生物資訊學、生態學、代謝學和演化生物學產生重大影響，而這項研究的發表則意味著Y1000+ 計畫的大量酵母數據彙編現在可供全世界的學者用作起點，以擴展他們自己的酵母研究。

編譯來源：ScitechDaily