您可能熟悉酵母，因为酵母是一种生物成分，可以在黑暗中发酵时将碳水化合物转化为面包和啤酒等产品。在这些情况下，暴露在光线下会阻碍甚至破坏该过程。
在发布在《当代生物学》上的一项新研究中，佐治亚理工学院生物科学学院的研究人员设计了一种世界上最早的酵母菌株，这种酵母菌株在开灯时可能会更快乐。
“坦率地说，我们对将酵母转化为光养生物是多么简单感到震惊，”在威廉·拉特克利夫副教授实验室工作的研究科学家安东尼·伯内蒂说，该研究的通讯作者。“我们需要做的就是移动一个基因，它们在光下的生长速度比在黑暗中快2%。没有任何微调或仔细的哄骗，它只是起作用了。
让酵母容易地获得如此重要的进化特征，对于我们理解这种特征是如何起源的，以及如何利用它来研究生物燃料生产、进化和细胞衰老等事物，可能意义重大。
这项研究的灵感来自该小组过去研究多细胞生命进化的工作。该小组去年在《自然》杂志上发布了他们的第一份关于多细胞长期进化实验(MuLTEE)的报告，揭示了他们的单细胞模式生物“雪花酵母”如何能够在3000代中进化出多细胞性。
在这些进化实验中，出现了多细胞进化的一个主要限制：能量。
“氧气很难扩散到组织中，因此你得到的组织没有获得能量的能力，”Burnetti说。“我一直在寻找绕过这种基于氧气的能量限制的方法。
在不使用氧气的情况下为生物体提供能量的一种方法是通过光。但是，从进化的角度来看，将光转化为可用能量的能力可能很复杂。例如，允许植物利用光作为能量的分子机制涉及许多基因和蛋白质，这些基因和蛋白质很难合成并转移到其他生物体中——无论是在实验室中还是在进化过程中。
幸运的是，植物并不是唯一可以将光转化为能量的生物。
生物体利用光的一种更简单的方法是使用视紫红质：可以在没有额外细胞机制的情况下将光转化为能量的蛋白质。
“视紫红质遍布生命之树，显然是由生物体在进化过程中相互获取基因而获得的，”与拉特克利夫合作的生物学博士生、该研究的主要作者Autumn Peterson说。
这种类型的基因交换称为水平基因转移，涉及在不密切相关的生物体之间共享遗传信息。水平基因转移可以在短时间内引起看似巨大的进化飞跃，例如细菌如何能够迅速对某些抗生素产生耐药性。这可能发生在各种遗传信息中，在视紫红质蛋白中尤为常见。
“在找出一种将视紫红质转化为多细胞酵母的方法的过程中，”Burnetti 解释说，“我们发现我们可以通过将视紫红质转移到常规的单细胞酵母中来了解过去在进化过程中发生的水平转移，这是以前从未有过的。
为了研究他们是否能用太阳能视紫红质为单细胞生物提供装备，研究人员将一种由寄生真菌合成的视紫红质基因添加到普通面包酵母中。这种特定的基因被编码为一种视紫红质，这种视紫红质将入细胞的液泡中，液泡是细胞的一部分，就像线粒体一样，可以将视紫红质等蛋白质产生的化学梯度转化为能量。
配备液泡视紫红质后，酵母在点燃时生长速度大约快 2%——这在进化方面是一个巨大的好处。
“在这里，我们有一个单一的基因，我们只是把它拉到一个以前从未有过光养生物的谱系中，它只是起作用，”Burnetti说。“这表明，至少有时，这种系统确实很容易在新的有机体中发挥作用。
这种简单性提供了关键的进化见解，并说明了很多关于“视紫红质能够很容易地传播到如此多的谱系以及为什么会这样，”彼得森解释说，彼得森最近获得了霍华德休斯医学研究所吉列姆奖学金。佐治亚理工学院微生物动力学和感染中心的资助作家Carina Baskett也参与了这项研究。
由于液泡功能可能导致细胞衰老，该小组还发起了合作，研究视紫红质如何能够减少酵母中的衰老效应。其他研究人员已经开始使用类似的新型太阳能酵母来研究推进生物生产，这可能标志着合成生物燃料等方面的重大改进。
然而，拉特克利夫和他的团队最热衷于探索这种额外的好处如何影响单细胞酵母向多细胞生物的旅程。
“我们有这个美丽的简单多细胞模型系统，”Burnetti说，他指的是长期运行的多细胞长期进化实验。“我们想给它光营养，看看它如何改变它的进化。
