Створено дріжджі, що харчуються світлом

Можливо, ви знаєте дріжджі як організм, який перетворює вуглеводи на хліб та пиво, якщо залишити їх у темряві. Світло може перешкодити і навіть зіпсувати процес.

У новому дослідженні, опублікованому в журналі Current Biology, вчені зі Школи біологічних наук Технологічного інституту Джорджії створили один із перших у світі штамів дріжджів, які від включеного світла лише виграють.

Ми були відверто вражені тим, наскільки просто перетворити дріжджі на фототрофів (організми, здатні отримувати та використовувати енергію світла), — каже Ентоні Бурнетті, науковий співробітник лабораторії доцента Вільяма Реткліффа та співавтор дослідження. – Все, що нам потрібно було зробити, — це перемістити один-єдиний ген, і вони стали рости на світлі на 2% швидше, ніж у темряві. Без будь-якого тонкого налаштування це просто спрацювало.

Просте наділення дріжджів настільки важливою з еволюційної точки зору ознакою може мати велике значення для нашого розуміння того, як ця ознака виникла, і як її можна використовувати для вивчення таких речей, як виробництво біопалива, еволюція та клітинне старіння.

У пошуках енергетичного підживлення

Дослідження було натхнене роботою групи вивчення еволюції багатоклітинного життя. Минулого року група опублікувала у журналі Nature перший звіт про експеримент Multicellularity Long-Term Evolution Experiment (MuLTEE), розкривши, як їхній одноклітинний модельний організм, «дріжджі-сніжинки» зміг розвинути багатоклітинність за 3 000 поколінь.

Протягом усіх цих еволюційних експериментів виявилося одне серйозне обмеження еволюції багатоклітинних: енергія.

Кисень важко проникає глибоко в тканини, і в результаті ви отримуєте тканини, позбавлені можливості отримувати енергію, — говорить Бурнетті. – Я шукав способи обійти це енергетичне обмеження на основі кисню.

Один зі способів дати організмам енергетичне підживлення без використання кисню — це світло. Але здатність перетворювати світло на корисну енергію може бути складною з еволюційної точки зору. Наприклад, молекулярний механізм, що дозволяє рослинам використовувати світло для отримання енергії, включає безліч генів і білків, які складно синтезувати і передати іншим організмам — як в лабораторії, так і природним шляхом у ході еволюції.

На щастя, рослини — не єдині організми, здатні перетворювати світло на енергію.

Простіше простого

Простіший спосіб використання світла організмами — це родопсини: білки, які можуть перетворювати світло на енергію без додаткових клітинних механізмів.

Родопсини зустрічаються по всьому дереву життя і, мабуть, набуваються організмами, які отримують гени один від одного в ході еволюції, — говорить Осен Петерсон, аспірант біологічного факультету, що працює з Реткліффом, і провідний автор дослідження.

Такий тип генетичного обміну називається горизонтальним перенесенням генів і має на увазі обмін генетичною інформацією між організмами, які є близькими родичами. Горизонтальне перенесення генів може призвести до, здавалося б, великих еволюційних стрибків за короткий час, наприклад, до того, що бактерії швидко розвивають стійкість до певних антибіотиків. Це може відбуватися з будь-якими видами генетичної інформації, але часто відбувається з білками родопсину.

У процесі пошуку способу перенесення родопсинів у багатоклітинні дріжджі, — пояснює Бурнетті, — ми виявили, що можемо дізнатися про горизонтальне перенесення родопсинів, яке відбувалося в ході еволюції в минулому, перенісши їх у звичайні одноклітинні дріжджі, де вони ніколи раніше не зустрічалися.

Щоб перевірити, чи вдасться створити одноклітинний організм із родопсином, що працює на сонячній енергії, дослідники додали ген родопсину, синтезований із паразитичного грибка, у звичайні пекарські дріжджі. Цей специфічний ген кодує форму родопсину, яка вставляється у вакуоль клітини — частина клітини, яка, як і мітохондрії, може перетворювати хімічні градієнти, створювані білками, подібними до родопсину, в енергію.

Оснащені вакуольним родопсином, дріжджі росли приблизно на 2% швидше при освітленні — величезна перевага з погляду еволюції.

У нас є один-єдиний ген, і ми просто перекидаємо його через контекст у рід, який ніколи раніше не був фототрофом, і він просто працює, — каже Бурнетті. – Це говорить про те, що подібна система дійсно легко, принаймні іноді, виконувати свою роботу в новому організмі.

Ця простота дає ключове уявлення про еволюцію і багато говорить про те, що, «з якою легкістю родопсини змогли поширитися такими багатьма лініями і чому це може бути так», — пояснює Петерсон, яка нещодавно отримала за свою роботу стипендію Гілліама Медичного інституту Говарда Хьюза (HHMI). Каріна Баскетт, автор грантів Центру динаміки мікроорганізмів та інфекцій Технологічного інституту Джорджії, також працювала над цим дослідженням.

Оскільки функція вакуолей може сприяти клітинному старінню, група також розпочала співпрацю для вивчення того, як родопсини можуть зменшити ефект старіння у дріжджах. Інші дослідники вже почали використовувати подібні нові дріжджі, що працюють на сонячній енергії, для вивчення прогресивного біовиробництва, що може означати значні покращення у таких галузях, як синтез біопалива.

Реткліфф та його група, однак, в основному прагнуть вивчити, як ця додаткова перевага може вплинути на шлях одноклітинних дріжджів до багатоклітинного організму.

У нас є чудова модельна система простої багатоклітинності, — завершує Бернетті, маючи на увазі тривалий експеримент Multicellularity Long-Term Evolution Experiment (MuLTEE). Ми хочемо дати їй фототрофію та подивитися, як це змінить її еволюцію.

Стаття Створено дріжджі, що харчуються світлом з’явилася спочатку на Цікавості.

#Створено #дріжджі #що #харчуються #світлом

Source link