Drożdże zasilane światłem rzucają światło na ewolucję, biopaliwa i starzenie się

Być może znasz drożdże jako organizmy przetwarzające węglowodany w produkty takie jak chleb i piwo, gdy pozostawiasz je do fermentacji w ciemności. W takich przypadkach ekspozycja na światło może utrudnić lub nawet zrujnować proces.

W Nowe badanie Opublikowane w Aktualna biologianaukowcy z Georgia Tech University Wyższa Szkoła Nauk Biologicznych Opracowaliśmy jeden z pierwszych na świecie szczepów drożdży, który może być szczęśliwszy przy włączonym świetle.

„Byliśmy szczerze zszokowani, jak łatwo drożdże można przekształcić w organizmy fotosyntetyczne (organizmy, które potrafią ujarzmić i wykorzystywać energię ze światła)” – mówi. Antoni Burnettipracownik naukowy pełniący funkcję profesora nadzwyczajnego Williama Ratcliffe’alaboratorium i korespondentem autora badania. „Wszystko, co musieliśmy zrobić, to włączyć jeden gen, a wkrótce rosły o 2% szybciej na świetle niż w ciemności. Bez żadnego dostrajania czy subtelnego namawiania, to zadziałało”.

Fakt, że drożdże tak łatwo można wyposażyć w tak ważną ewolucyjnie cechę, może mieć ogromne znaczenie dla zrozumienia, w jaki sposób powstała ta cecha i jak można ją wykorzystać do badania takich czynników, jak produkcja biopaliw, ewolucja i starzenie się komórek.

Szukasz zastrzyku energii

Inspiracją do badań były wcześniejsze prace grupy dotyczące ewolucji życia wielokomórkowego. Grupa opublikowała swój pierwszy raport na temat… Wielokomórkowy długoterminowy eksperyment ewolucyjny (Wiele) w Natura W zeszłym roku odkryli, jak ich jednokomórkowy organizm modelowy, „drożdże płatkowe śniegu”, zdołał wyewoluować wielokomórkowość przez 3000 pokoleń.

Podczas tych eksperymentów ewolucyjnych stało się jasne jedno z głównych ograniczeń ewolucji wielokomórkowej: energia.

„Tlenowi trudno jest przedostać się głęboko do tkanki, przez co dostajesz się do tkanki, nie mogąc w rezultacie uzyskać energii” – mówi Burnetti. „Szukałem sposobów na pokonanie ograniczeń energii zależnej od tlenu”.

Jednym ze sposobów zapewnienia organizmom zastrzyku energii bez użycia tlenu jest światło. Jednak zdolność do przekształcania światła w użyteczną energię może być złożona z ewolucyjnego punktu widzenia. Na przykład mechanizm molekularny umożliwiający roślinom wykorzystywanie światła do wytwarzania energii obejmuje zestaw genów i białek, które trudno wytworzyć i przenieść do innych organizmów – czy to w laboratorium, czy w sposób naturalny w wyniku ewolucji.

Na szczęście rośliny nie są jedynymi organizmami, które potrafią przekształcać światło w energię.

Nie komplikuj

Najłatwiejszym sposobem wykorzystania światła przez organizmy są rodopsyny: białka, które mogą przekształcać światło w energię bez potrzeby stosowania dodatkowych maszyn komórkowych.

„Rodopsyna występuje w całym drzewie życia i najwyraźniej została nabyta przez organizmy, które nabyły od siebie geny w trakcie ewolucji” – mówi. Jesienny PetersonDoktor biologii. student współpracujący z Ratcliffe’em i główny autor badania.

Ten rodzaj wymiany genetycznej nazywany jest poziomym transferem genów i polega na wymianie informacji genetycznej pomiędzy organizmami, które nie są blisko spokrewnione. Poziomy transfer genów może w krótkim czasie prowadzić do pozornie dużych skoków ewolucyjnych, takich jak zdolność bakterii do szybkiego rozwijania oporności na niektóre antybiotyki. Może się to zdarzyć w przypadku wszystkich rodzajów informacji genetycznej i jest szczególnie powszechne w przypadku białek rodopsyny.

„W procesie odkrywania sposobu wprowadzania rodopsyny do drożdży wielokomórkowych odkryliśmy, że możemy rozpoznać horyzontalny transfer rodopsyny, który nastąpił w wyniku ewolucji w przeszłości, poprzez przeniesienie jej do normalnych drożdży jednokomórkowych. Drożdże tam, gdzie nie było ich wcześniej .”

Aby sprawdzić, czy można wyposażyć organizm jednokomórkowy w rodopsynę zasilaną energią słoneczną, naukowcy dodali gen rodopsyny wytworzony z pasożytniczego grzyba do zwykłych drożdży piekarskich. Ten specyficzny gen koduje formę rodopsyny, która zostanie wstawiona do wakuoli komórki – części komórki, która podobnie jak mitochondria może przekształcać gradienty chemiczne wytwarzane przez białka takie jak rodopsyna w energię.

Wyposażone w rodopsynę wakuolową drożdże rosły około 2% szybciej po zapaleniu, co stanowi ogromną korzyść z punktu widzenia ewolucji.

„Tutaj mamy jeden gen i po prostu wyciągamy go z różnych kontekstów, tworząc linię genetyczną, która wcześniej nie była fotogeniczna, i to po prostu działa” – mówi Burnetti. „To sugeruje, że tego typu układowi, przynajmniej czasami, naprawdę łatwo jest wykonać swoją pracę w nowym organizmie”.

Ta prostota dostarcza kluczowych spostrzeżeń ewolucyjnych i wiele mówi o „łatwości, z jaką rodopsyna była w stanie rozprzestrzenić się w tak wielu liniach rodowych oraz o tym, dlaczego mogło się tak zdarzyć” – wyjaśnia Peterson, który Niedawno otrzymane Za swoją pracę otrzymała stypendium Gilliama Fellowship od Instytutu Medycznego Howarda Hughesa (HHMI). Kariny Baskettautor grantów dla Georgia Tech Centrum Dynamiki Mikrobiologicznej i InfekcjiPracowałem też nad nauką.

Ponieważ funkcja wakuoli może przyczyniać się do starzenia się komórek, grupa rozpoczęła także współpracę w celu zbadania, w jaki sposób rodopsyna może być w stanie zmniejszyć skutki starzenia się drożdży. Inni badacze zaczęli już używać podobnych, nowych drożdży zasilanych energią słoneczną do badania zaawansowanej bioprodukcji, która może oznaczać znaczące ulepszenia w takich dziedzinach, jak produkcja biopaliw.

Jednak Ratcliffe i jego zespół głównie chcą zbadać, w jaki sposób ta dodatkowa korzyść może wpłynąć na podróż jednokomórkowych drożdży do organizmu wielokomórkowego.

„Mamy ten piękny, prosty wielokomórkowy system modelowy” – mówi Burnetti, odnosząc się do systemu długoterminowego. Wielokomórkowy eksperyment długoterminowej ewolucji (MuLTEE). „Chcemy zapewnić mu fotokarmienie i zobaczyć, jak zmieni to jego rozwój”.

cytat: Peterson i in., 2024, Current Biology 34, 1-7.

Identyfikator cyfrowy: https://doi.org/10.1016/j.cub.2023.12.044