酵母在發酵時需要黑暗的環境，暴露在光線下會阻礙甚至破壞這一過程。美國佐治亞理工學院的科學家在國際上首次設計出在光照下更“快樂”的光動力酵母菌株，生長速度就比在黑暗中快2%。相關研究成果1月12日發表于《當代生物學》。
光營養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代謝，但植物并不是自然界唯一能將光轉化為能量的生物，視網膜上的視紫紅質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：“視紫紅質遍布生命之樹，顯然是由生物體在進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移，涉及在親緣關系不密切的生物體之間共享遺傳信息。水平基因轉移可以在短時間內引起看似巨大的進化跳躍，比如細菌迅速對某些抗生素產生耐藥性。
但是，視紫紅質基因是如何進入具有復雜內膜結構的真核細胞的？
為了解答這一問題，研究團隊選擇酵母這種單細胞真核微生物進行實驗。他們將一種由寄生真菌合成的視紫紅質基因插入普通酵母細胞的液泡中。結果，配備了視紫紅質液泡的酵母，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：佐治亞理工學院
這項研究的靈感來自該小組之前對多細胞生命進化的研究。去年，他們曾在《自然》發文，介紹了單細胞模式生物“雪花酵母”如何通過3000多代進化，成為多細胞生物。在那項研究中，他們發現細胞進化的一個主要限制：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。從進化的角度來看，生物體將光轉化為能量的分子機制要比利用氧氣獲得能量復雜得多，涉及大量很難在實驗室和自然進化中獲得的基因和蛋白質。
此項研究則解釋了為什么視紫紅質能夠在不同譜系的生物中廣泛存在——它無須進化優化，可以在沒有額外細胞機制的情況下將光轉化為能量，為生物體提供了新的生物功能，從而獲得進化優勢。
由于液泡功能與細胞衰老有關，該小組還在研究加入視紫紅質的酵母能否減緩衰老。其他研究小組已經在利用光動力酵母來研究合成生物燃料。
相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cub.2023.12.044
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