Być może znasz drożdże, które przekształcają 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 zepsuć proces.
W nowym badaniu opublikowanym w Current Biology naukowcy ze Szkoły Nauk Biologicznych Georgia Tech opracowali jeden z pierwszych na świecie szczepów drożdży, który może być szczęśliwszy przy włączonym świetle.
„Szczerze mówiąc, byliśmy zszokowani tym, jak łatwo można było przekształcić drożdże w fototrofy (organizmy, które potrafią okiełznać i wykorzystywać energię ze światła)” – mówi Anthony Burnetti, naukowiec pracujący w laboratorium profesora nadzwyczajnego Williama Ratcliffa i korespondent z autorem badania. „Wszystko, co musieliśmy zrobić, to przenieść pojedynczy gen, a on rósł o 2% szybciej w świetle niż w ciemności. Bez żadnego dostrajania i ostrożnego namawiania, to po prostu zadziałało”.
Łatwe wyposażenie drożdży w tak ważną ewolucyjnie cechę może mieć ogromne znaczenie dla naszego zrozumienia pochodzenia tej cechy i tego, jak można ją wykorzystać do badania takich czynników, jak produkcja biopaliwa, ewolucja i starzenie się komórek.
Szukasz zastrzyku energii
Inspiracją do badań były wcześniejsze prace grupy badającej ewolucję życia wielokomórkowego. W zeszłym roku grupa opublikowała swój pierwszy raport na temat długoterminowego eksperymentu ewolucji wielokomórkowości (MuLTEE) w naturze, odkrywając, w jaki sposób ich jednokomórkowy organizm modelowy, „drożdże płatkowe”, był w stanie wyewoluować wielokomórkowość przez 3000 pokoleń.
W trakcie tych eksperymentów ewolucyjnych pojawiło się jedno główne ograniczenie ewolucji wielokomórkowej: energia.
„Tlenowi trudno jest przedostać się głęboko do tkanek, w wyniku czego tkanki nie mają możliwości uzyskania energii” – mówi Burnetti. „Szukałem sposobów na obejście tego ograniczenia energii opartej na tlenie”.
Jednym ze sposobów zapewnienia organizmom zastrzyku energii bez użycia tlenu jest światło. Jednak zdolność do zamiany światła w użyteczną energię może być skomplikowana z ewolucyjnego punktu widzenia. Na przykład mechanizm molekularny umożliwiający roślinom wykorzystywanie światła do wytwarzania energii obejmuje szereg genów i białek, które trudno zsyntetyzować i przenieść na inne organizmy – zarówno w laboratorium, jak i w sposób naturalny w wyniku ewolucji.
Na szczęście rośliny nie są jedynymi organizmami, które potrafią przekształcać światło w energię.
Zachowanie prostoty
Prostszym sposobem wykorzystania światła przez organizmy są rodopsyny: białka, które mogą przekształcać światło w energię bez dodatkowych mechanizmów komórkowych.
„Rodopsyny występują na całym drzewie życia i najwyraźniej są nabywane przez organizmy, które uzyskują od siebie geny w toku ewolucji” – mówi Autumn Peterson, doktor biologii. student współpracujący z Ratcliffem 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 spowodować pozornie duże skoki ewolucyjne, na przykład bakterie, które szybko potrafią rozwinąć oporność na niektóre antybiotyki. Może się to zdarzyć w przypadku wszystkich rodzajów informacji genetycznej i jest szczególnie powszechne w przypadku białek rodopsyny.
„W procesie szukania sposobu na wprowadzenie rodopsyn do drożdży wielokomórkowych” – wyjaśnia Burnetti – „odkryliśmy, że możemy dowiedzieć się o poziomym transferze rodopsyn, który miał miejsce w przeszłości w trakcie ewolucji, poprzez przeniesienie go do regularnych, jednokomórkowych drożdży drożdże tam, gdzie nigdy wcześniej ich nie było.”
Aby sprawdzić, czy można wyposażyć organizm jednokomórkowy w rodopsynę zasilaną energią słoneczną, badacze dodali gen rodopsyny syntetyzowany przez pasożytniczego grzyba do zwykłych drożdży piekarskich. Ten specyficzny gen jest kodowany jako forma rodopsyny, która zostanie wstawiona do wakuoli komórki – części komórki, która podobnie jak mitochondria może zamieniać 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 pod względem ewolucji.
„Tutaj mamy pojedynczy gen i po prostu łączymy go z różnymi kontekstami, tworząc linię genetyczną, która nigdy wcześniej nie była fototrofem, i to po prostu działa” – mówi Burnetti. „To oznacza, że tego rodzaju system naprawdę łatwo, przynajmniej czasami, wykonuje swoją pracę w nowym organizmie”.
Ta prostota dostarcza kluczowych spostrzeżeń ewolucyjnych i wiele mówi o „łatwości, z jaką rodopsyny były w stanie rozprzestrzeniać się w tak wielu liniach rodowych i dlaczego tak się dzieje” – wyjaśnia Peterson, który niedawno otrzymał nagrodę Howarda Hughesa z Instytutu Medycznego (HHMI) Gilliam Stypendium za jej pracę. Nad badaniem pracowała także Carina Baskett, autorka grantu dla Centrum Dynamiki Mikrobiologicznej i Infekcji Georgia Tech.
Ponieważ funkcja wakuoli może przyczyniać się do starzenia się komórek, grupa nawiązała także współpracę w celu zbadania, w jaki sposób rodopsyny mogą być w stanie zmniejszyć skutki starzenia się drożdży. Inni badacze już zaczynają wykorzystywać podobne, nowe, zasilane energią słoneczną drożdże do badań nad postępem bioprodukcji, co może oznaczać duże ulepszenia w takich dziedzinach, jak synteza biopaliw.
Ratcliffowi i jego grupie zależy jednak przede wszystkim na zbadaniu, w jaki sposób ta dodatkowa korzyść może wpłynąć na drogę jednokomórkowych drożdży do organizmu wielokomórkowego.
„Mamy ten piękny modelowy system prostej wielokomórkowości” – mówi Burnetti, odnosząc się do długotrwałego eksperymentu wielokomórkowości długoterminowej ewolucji (MuLTEE). „Chcemy zapewnić mu fototrofię i zobaczyć, jak zmienia swoją ewolucję”.