В новом исследовании, опубликованном в журнале Current Biology, ученые из Школы биологических наук Технологического института Джорджии создали один из первых в мире штаммов дрожжей, которые от включенного света только счастливы.

Мы были откровенно потрясены тем, насколько просто превратить дрожжи в фототрофов (организмы, способные получать и использовать энергию света), — говорит Энтони Бурнетти, научный сотрудник лаборатории доцента Уильяма Рэтклиффа и соавтор исследования.

Все, что нам нужно было сделать, — это переместить один-единственный ген, и они стали расти на свету на 2% быстрее, чем в темноте». Без всякой тонкой настройки или тщательного уговаривания, это просто сработало.

Простое наделение дрожжей столь важным с эволюционной точки зрения признаком может иметь большое значение для нашего понимания того, как этот признак возник, и как его можно использовать для изучения таких вещей, как производство биотоплива, эволюция и клеточное старение.

В поисках энергетической подпитки

Исследование было вдохновлено работой группы по изучению эволюции многоклеточной жизни. В прошлом году группа опубликовала в журнале Nature первый отчет об эксперименте Multicellularity Long-Term Evolution Experiment (MuLTEE), раскрыв, как их одноклеточный модельный организм, «дрожжи-снежинки», смог развить многоклеточность за 3 000 поколений.

На протяжении всех этих эволюционных экспериментов обнаружилось одно серьезное ограничение для эволюции многоклеточных: энергия.

Кислород с трудом проникает глубоко в ткани, и в результате вы получаете ткани, лишенные возможности получать энергию, — говорит Бурнетти.

Я искал способы обойти это энергетическое ограничение на основе кислорода.

Один из способов дать организмам энергетическую подпитку без использования кислорода — это свет. Но 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 сложно 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.

Проще простого

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

Родопсины встречаются по всему древу жизни и, по-видимому, приобретаются организмами, получающими гены друг от друга в ходе эволюции, — говорит Осень Петерсон, аспирант биологического факультета, работающий с Рэтклиффом, и ведущий автор исследования.

Такой тип генетического обмена называется горизонтальным переносом генов и подразумевает обмен генетической информацией между организмами, которые не являются близкими родственниками. Горизонтальный перенос генов может привести к, казалось бы, большим эволюционным скачкам за короткое время, например, к тому, что бактерии быстро развивают устойчивость к определенным антибиотикам. Это может происходить с любыми видами генетической информации, но особенно часто происходит с белками родопсина.

В процессе поиска способа переноса родопсинов в многоклеточные дрожжи, — объясняет Бурнетти, — мы обнаружили, что можем узнать о горизонтальном переносе родопсинов, который происходил в ходе эволюции в прошлом, перенеся их в обычные одноклеточные дрожжи, где они никогда раньше не встречались.

Чтобы проверить, удастся ли создать одноклеточный организм с родопсином, работающим на солнечной энергии, исследователи добавили ген родопсина, синтезированный из паразитического грибка, в обычные пекарские дрожжи. Этот специфический ген кодирует форму родопсина, которая вставляется в вакуоль клетки — часть клетки, которая, как и митохондрии, может превращать химические градиенты, создаваемые белками, подобными родопсину, в энергию.

Оснащенные вакуольным родопсином, дрожжи росли примерно на 2% быстрее при освещении — огромное преимущество с точки зрения эволюции.

У нас есть один-единственный ген, и мы просто перебрасываем его через контекст в род, который никогда раньше не был фототрофом, и он просто работает, — говорит Бурнетти.

Это говорит о том, что подобной системе действительно легко, по крайней мере иногда, выполнять свою работу в новом организме.

Эта простота дает ключевое представление об эволюции и многое говорит о том, «с какой легкостью родопсины смогли распространиться по столь многим линиям и почему это может быть так», — объясняет Петерсон, которая недавно получила за свою работу стипендию Гиллиама Медицинского института Говарда Хьюза (HHMI). Карина Баскетт, автор грантов Центра динамики микроорганизмов и инфекций Технологического института Джорджии, также работала над этим исследованием.

Поскольку функция вакуолей может способствовать клеточному старению, группа также начала сотрудничество для изучения того, как родопсины могут уменьшить эффект старения в дрожжах. Другие исследователи уже начали использовать подобные новые дрожжи, работающие на солнечной энергии, для изучения прогрессивного биопроизводства, что может означать значительные улучшения в таких областях, как синтез биотоплива.

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

У нас есть прекрасная модельная система простой многоклеточности, — заключает Бернетти, имея в виду длительный эксперимент Multicellularity Long-Term Evolution Experiment (MuLTEE).

Мы хотим дать ей фототрофию и посмотреть, как это изменит ее эволюцию.