Среда, 21 февраля, 2024
ДомойБиологияНовый взгляд на эволюцию, биотопливо, старение клеток – биологи разработали дрожжи, работающие...

Новый взгляд на эволюцию, биотопливо, старение клеток – биологи разработали дрожжи, работающие на свету

- Advertisement -

Белки зеленого родопсина внутри синих клеточных стенок помогают этим дрожжам расти быстрее под воздействием света. Фото: Энтони Бернетти, Технологический институт Джорджии.

Дрожжи часто известны своей способностью ферментировать углеводы в такие продукты, как хлеб и пиво, для чего обычно требуется темная среда. Воздействие света в таких ситуациях может нарушить или испортить процесс ферментации.

Однако недавнее исследование, опубликованное в Текущая биология Исследователи из Школы биологических наук Технологического института Джорджии представляют революционную разработку: они создали один из первых штаммов дрожжей, которые могут быть более довольны включенным светом.

«Мы были откровенно шокированы тем, насколько просто оказалось превратить дрожжи в фототрофы (организмы, которые могут осваивать и использовать энергию света)», — говорит Энтони Бернетти, ученый-исследователь, работающий в лаборатории доцента Уильяма Рэтклиффа и автор исследования. «Все, что нам нужно было сделать, — это переместить один-единственный ген, и они росли на свету на 2% быстрее, чем в темноте. Без какой-либо тонкой настройки или тщательного уговора это просто сработало».

Легкое оснащение дрожжей такой эволюционно важной чертой может иметь большое значение для нашего понимания того, как возникла эта черта — и как ее можно использовать для изучения таких вещей, как производство биотоплива, эволюция и клеточное старение.

Кандидат биологических наук. Студентка Отэм Петерсон, ведущий автор исследования, изучает дрожжевые клетки вместе с научным сотрудником Энтони Бернетти, автором-корреспондентом исследования, в лаборатории. Фото: Одра Дэвидсон, Технологический институт Джорджии.

Ищем заряд энергии

Исследование было вдохновлено прошлой работой группы по изучению эволюции многоклеточной жизни. Группа опубликовала свой первый отчет об эксперименте по долгосрочной эволюции многоклеточных клеток (MuLTEE). Природа в прошлом году, обнаружив, как их одноклеточный модельный организм, «снежинки дрожжей», смог развить многоклеточность в течение 3000 поколений.

В ходе этих эволюционных экспериментов появилось одно главное ограничение многоклеточной эволюции: энергия.

«Кислороду трудно диффундировать глубоко в ткани, и в результате вы получаете ткани, не имея возможности получать энергию», — говорит Бернетти. «Я искал способы обойти это ограничение энергии, связанное с кислородом».

Один из способов дать организмам заряд энергии без использования кислорода — это свет. Однако способность превращать свет в полезную энергию может быть сложной с эволюционной точки зрения. Например, молекулярный механизм, позволяющий растениям использовать свет для получения энергии, включает в себя множество генов и белков, которые трудно синтезировать и передать другим организмам — как в лаборатории, так и естественным путем в ходе эволюции.

К счастью, растения — не единственные организмы, способные преобразовывать свет в энергию.

Сохраняя простоту

Более простой способ использования света организмами — это использование родопсинов: белков, которые могут преобразовывать свет в энергию без дополнительных клеточных механизмов.

«Родопсины встречаются повсюду на древе жизни и, по-видимому, приобретаются организмами, получающими гены друг от друга в течение эволюционного времени», — говорит Отэм Петерсон, доктор биологических наук. студент, работающий с Рэтклиффом, и ведущий автор исследования.

Этот тип генетического обмена называется горизонтальным переносом генов и предполагает обмен генетической информацией между организмами, которые не являются тесно связанными. Горизонтальный перенос генов может вызвать, казалось бы, большие эволюционные скачки за короткое время, например, как бактерии могут быстро вырабатывать устойчивость к определенным антибиотикам. Это может произойти со всеми видами генетической информации и особенно часто встречается с белками родопсина.

В число исследователей-биологов Технологического института Джорджии, которые работали над исследованием, входят (слева направо) доцент Школы биологических наук Уильям Рэтклифф, автор гранта Центра микробной динамики и инфекций Карина Баскетт, доктор биологических наук. студентка Отэм Петерсон (ведущий автор) и научный сотрудник Энтони Бернетти (автор-корреспондент). Фото: Одра Дэвидсон, Технологический институт Джорджии.

«В процессе поиска способа доставки родопсинов в многоклеточные дрожжи, — объясняет Бернетти, — мы обнаружили, что можем узнать о горизонтальном переносе родопсинов, который происходил в ходе эволюции в прошлом, путем перевода его в обычные одноклеточные дрожжи». дрожжей там, где их никогда раньше не было».

Чтобы проверить, смогут ли они снабдить одноклеточный организм родопсином, работающим на солнечной энергии, исследователи добавили ген родопсина, синтезированный из паразитического гриба, к обычным пекарским дрожжам. Этот специфический ген кодирует форму родопсина, которая будет вставлена ​​в вакуоль клетки, часть клетки, которая, как и митохондрии, может превращать химические градиенты, создаваемые белками, такими как родопсин, в энергию.

Оснащенные вакуолярным родопсином, дрожжи при освещении росли примерно на 2% быстрее, что является огромным преимуществом с точки зрения эволюции.

«Здесь у нас есть один ген, и мы просто переносим его из контекста в линию, которая никогда раньше не была фототрофом, и это просто работает», — говорит Бернетти. «Это говорит о том, что такой системе действительно так легко, по крайней мере иногда, выполнять свою работу в новом организме».

Эта простота дает ключевое эволюционное понимание и многое говорит о «легкости, с которой родопсины смогли распространиться по такому множеству линий и почему это может быть так», — объясняет Петерсон, которого Петерсон недавно получил от Медицинского института Говарда Хьюза (HHMI) Гиллиама. Стипендия за ее работу. Карина Баскетт, автор гранта Центра микробной динамики и инфекций Технологического института Джорджии, также работала над исследованием.

Поскольку функция вакуолей может способствовать клеточному старению, группа также начала сотрудничество по изучению того, как родопсины могут снижать эффекты старения дрожжей. Другие исследователи уже начинают использовать аналогичные новые дрожжи, работающие на солнечной энергии, для изучения развития биопроизводства, что может означать большие улучшения в таких областях, как синтез биотоплива.

Однако Рэтклифф и его группа в основном стремятся изучить, как это дополнительное преимущество может повлиять на путь одноклеточных дрожжей к многоклеточному организму.

«У нас есть прекрасная модель системы простой многоклеточности», — говорит Бернетти, имея в виду давнюю теорию Эксперимент по долгосрочной эволюции многоклеточности (MuLTEE). «Мы хотим дать ему фототрофию и посмотреть, как это изменит его эволюцию».

Ссылка: «Превращение дрожжей в факультативный фотогетеротроф посредством экспрессии вакуолярного родопсина», авторы Отэм Петерсон, Карина Баскетт, Уильям К. Рэтклифф и Энтони Бернетти, 12 января 2024 г., Текущая биология.
DOI: 10.1016/j.cub.2023.12.044

Исследование финансировалось Национальным научным фондом и Фондом Дэвида и Люсиль Паккард.

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме