酵母是碳水化合物的爱好者，它通过发酵来源于面团、葡萄、谷物的糖和淀粉维持生命，而面包、葡萄酒和啤酒则是令人愉快的副产品。现在，研究人员使一种酵母利用光作为能量，从而减少其对碳水化合物的依赖。相关成果日前在在预印服务器bioRxiv上发表。

未参与这项研究的美国西北大学地质生物学家Magdalena Rose Osburn说，这项工作是“更复杂的人工光合作用工程模式的第一步”。

这项研究还提出了一个关键的进化转变——光的利用。“这是非同寻常的。”圣母大学真菌细胞生物学家Felipe Santiago-Tirado说，“在某种程度上，这就像把动物变成了植物。”

研究人员多年来一直致力于重建光合作用，以探索如何更有效地利用光作为能源，并使植物和其他生物的生产力更高。

为了将二氧化碳转化为糖进而为地球上的生命提供燃料，植物依靠一种包括叶绿素在内的蛋白质复合物来传送电子和质子，从而进行化学反应并传递能量。但是叶绿素复合体需要许多其他分子来完成它的工作。

因此，佐治亚理工学院遗传学家Anthony Burnetti和同事William Ratcliff找到了一个更简单的解决方案。他们瞄准了一种被称为视紫红质的蛋白质，在自然界中，细菌、一些原生生物、海洋藻类，甚至藻类病毒都利用视紫红质将光转化为可用的能量。

研究人员首先将一种海洋细菌的视紫红质基因插入培养皿中的酿酒酵母内。Burnetti希望视紫红质能进入酵母的液泡，这是一个富含酶的囊，可以降解不需要的蛋白质。一种叫做三磷酸腺苷（ATP）的能量分子通过向液泡内注入质子，使液泡内部呈酸性——这是最适合降解的环境。

Burnetti想知道光能是否可以代替它来完成这项工作。但是该团队的第一次努力失败了，因为由该基因产生的视紫红质蛋白进入了一个不同的隔间，后者不用于蛋白质降解，而是用于蛋白质合成。因此，Burnetti转而寻找已知存在于液泡中的视紫红质。他决定使用一种来自玉米黑穗病的真菌病原体，通过在蛋白质上附加绿色荧光标签，他和同事证实，正如他们所希望的那样，它已经在酵母的液泡中定位。

Burnetti团队的Autumn Peterson进一步证明了这种工程酵母确实利用了光。她将新菌株与原始的、未经修饰的酵母放在同一个培养皿中，并将其暴露在绿光下，这是视紫红质最敏感的波长。研究小组发现，感光菌株中的细胞寿命较短，但繁殖速度足够快，比不感光的酵母菌多0.8%。Santiago-Tirado说，这是一个“巨大的优势”。 Peterson预计，随着时间的推移，在光线下，使用光的细胞最终会取代未经修饰的细胞，就像早期的光使用者可能在亿万年前取代自然界中的竞争对手一样。

Burnetti和同事认为，光诱导视紫红质将更多的质子泵入液泡，从而减少细胞在完成这项任务时消耗ATP的需求，并释放出能量帮助细胞以其他方式生长。增加液泡内的酸度可能会降低液泡外的酸度，导致液泡内的酶工作得更快、消耗得更快，这也可能有助于解释这些被改变的细胞死亡率更高的原因。科罗拉多大学安舒茨医学院分子生物学家Michael McMurray说，无论哪种方式起作用，“这显然对酵母细胞有益”。

但这项工作可能无法揭示自然界中视紫红质是如何进化的。“我认为作者过分强调了他们工作的进化意义。”圣路易斯华盛顿大学名誉生物化学家Robert Blankenship说，“这是一种人工构造，不是自然进化的产物。”

其他人认为这项成果可以在工业、医学和基础研究方面应用。弗吉尼亚联邦大学生物学家Alaattin Kaya说，这些酵母细胞有助于解释为什么在细胞的生命周期中，液泡酸化有时似乎会导致线粒体失灵，进而加速衰老。

Burnetti也希望靶向线粒体，但原因不同。“尽管这在自然界中似乎从未发生过，但我们肯定会计划将视紫红质放入线粒体。”因为线粒体可以有效地制造ATP，添加视紫红质后就可以像光合作用一样直接从太阳获取大量能量。在这方面，酵母会更像植物。

相关论文信息：https://doi.org/10.1101/2022.12.06.519405