Bạn có thể quen thuộc với men vì hàm lượng sinh vật biến carbs thành các sản phẩm như bánh mì và bia khi để lên men trong bóng tối. Trong những trường hợp này, việc tiếp xúc với ánh sáng có thể cản trở hoặc thậm chí làm hỏng quá trình.
Protein rhodopsin màu xanh lá cây bên trong thành tế bào xanh giúp các loại nấm men này phát triển nhanh hơn khi tiếp xúc với ánh sáng. Nhà cung cấp hình ảnh: Anthony Burnetti, Viện Công nghệ Georgia
Trong một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Current Biology, các nhà nghiên cứu tại Trường Khoa học Sinh học của Georgia Tech đã tạo ra một trong những chủng nấm men đầu tiên trên thế giới có thể hoạt động tốt hơn khi bật đèn.
Anthony Burnetti, một nhà khoa học nghiên cứu làm việc trong phòng thí nghiệm của Phó giáo sư William Ratcliff và là tác giả tương ứng của nghiên cứu, cho biết: “Chúng tôi thực sự bị sốc bởi việc biến nấm men thành sinh vật quang dưỡng (sinh vật có thể khai thác và sử dụng năng lượng từ ánh sáng) lại đơn giản đến mức nào”. "Tất cả những gì chúng tôi cần làm là di chuyển một gen duy nhất và chúng phát triển nhanh hơn 2% trong ánh sáng so với trong bóng tối. Không cần tinh chỉnh hay dỗ dành cẩn thận, nó vẫn hoạt động bình thường."
Việc dễ dàng trang bị cho nấm men một đặc điểm quan trọng về mặt tiến hóa như vậy có thể có ý nghĩa quan trọng đối với sự hiểu biết của chúng ta về nguồn gốc của đặc điểm này và cách nó có thể được sử dụng để nghiên cứu những thứ như sản xuất nhiên liệu sinh học, tiến hóa và lão hóa tế bào.
Tìm kiếm sự tăng cường năng lượng
Nghiên cứu được lấy cảm hứng từ công việc trước đây của nhóm là điều tra sự tiến hóa của sự sống đa bào. Nhóm đã công bố báo cáo đầu tiên về Thí nghiệm tiến hóa dài hạn đa bào (MuLTEE) trong tự nhiên vào năm ngoái, khám phá cách sinh vật mô hình đơn bào của họ, "men bông tuyết", có thể tiến hóa đa bào qua 3.000 thế hệ.
Trong suốt các thí nghiệm tiến hóa này, một hạn chế lớn đối với quá trình tiến hóa đa bào đã xuất hiện: năng lượng.
Burnetti nói: “Oxy khó khuếch tán sâu vào các mô và kết quả là bạn nhận được các mô mà không có khả năng lấy năng lượng”. "Tôi đang tìm cách khắc phục hạn chế về năng lượng dựa trên oxy này."
Một cách để tăng cường năng lượng cho sinh vật mà không cần sử dụng oxy là thông qua ánh sáng. Nhưng khả năng biến ánh sáng thành năng lượng có thể sử dụng được có thể phức tạp xét theo quan điểm tiến hóa. Ví dụ, bộ máy phân tử cho phép thực vật sử dụng ánh sáng làm năng lượng bao gồm một loạt gen và protein khó tổng hợp và chuyển giao sang các sinh vật khác – cả trong phòng thí nghiệm và tự nhiên thông qua quá trình tiến hóa.
May mắn thay, thực vật không phải là sinh vật duy nhất có thể chuyển đổi ánh sáng thành năng lượng.
Giữ nó đơn giản
Một cách đơn giản hơn để các sinh vật sử dụng ánh sáng là sử dụng rhodopsin: các protein có thể chuyển đổi ánh sáng thành năng lượng mà không cần thêm máy móc tế bào.
Autumn Peterson, một tiến sĩ sinh học cho biết: “Rhodopsin được tìm thấy trên khắp cây sự sống và dường như được thu nhận bởi các sinh vật lấy gen của nhau trong quá trình tiến hóa”. sinh viên làm việc với Ratcliff và là tác giả chính của nghiên cứu.
Kiểu trao đổi gen này được gọi là chuyển gen ngang và liên quan đến việc chia sẻ thông tin di truyền giữa các sinh vật không có quan hệ họ hàng gần gũi. Chuyển gen ngang có thể gây ra những bước nhảy tiến hóa dường như lớn trong một thời gian ngắn, giống như cách vi khuẩn có thể nhanh chóng phát triển khả năng kháng một số loại kháng sinh. Điều này có thể xảy ra với tất cả các loại thông tin di truyền và đặc biệt phổ biến với protein rhodopsin.
Burnetti giải thích: “Trong quá trình tìm ra cách đưa rhodopsin vào nấm men đa tế bào, chúng tôi nhận thấy rằng chúng tôi có thể tìm hiểu về sự chuyển giao rhodopsin theo chiều ngang đã xảy ra trong suốt quá trình tiến hóa trong quá khứ bằng cách chuyển nó vào các tế bào đơn bào thông thường”. men ở nơi nó chưa từng có trước đây."
Để xem liệu họ có thể trang bị rhodopsin chạy bằng năng lượng mặt trời cho một sinh vật đơn bào hay không, các nhà nghiên cứu đã thêm một gen rhodopsin được tổng hợp từ một loại nấm ký sinh vào men làm bánh thông thường. Gen cụ thể này được mã hóa cho một dạng rhodopsin sẽ được đưa vào không bào của tế bào, một phần của tế bào, giống như ty thể, có thể biến các gradient hóa học do protein như rhodopsin tạo ra thành năng lượng.
Được trang bị rhodopsin không bào, nấm men phát triển nhanh hơn khoảng 2% khi được thắp sáng—một lợi ích to lớn về mặt tiến hóa.
Burnetti nói: “Ở đây, chúng tôi có một gen duy nhất và chúng tôi chỉ đưa nó qua các bối cảnh thành một dòng chưa bao giờ là sinh vật quang dưỡng trước đây và nó vẫn hoạt động”. "Điều này nói lên rằng loại hệ thống này thực sự rất dễ dàng, ít nhất là đôi khi, thực hiện công việc của nó trong một sinh vật mới."
Sự đơn giản này cung cấp những hiểu biết quan trọng về tiến hóa và nói lên rất nhiều điều về "sự dễ dàng mà rhodopsin có thể lan truyền qua rất nhiều dòng dõi và lý do tại sao điều đó có thể như vậy", Peterson, người mà Peterson vừa nhận được giải thưởng Gilliam của Viện Y tế Howard Hughes (HHMI) giải thích. Học bổng cho công việc của cô ấy. Carina Baskett, người viết tài trợ cho Trung tâm Động lực học và Nhiễm trùng Vi khuẩn của Georgia Tech, cũng đã nghiên cứu.
Bởi vì chức năng không bào có thể góp phần vào quá trình lão hóa tế bào nên nhóm cũng đã bắt đầu hợp tác để nghiên cứu làm thế nào rhodopsin có thể làm giảm tác động lão hóa ở nấm men. Các nhà nghiên cứu khác đã bắt đầu sử dụng loại men mới tương tự, chạy bằng năng lượng mặt trời để nghiên cứu thúc đẩy sản xuất sinh học, điều này có thể đánh dấu những cải tiến lớn cho những thứ như tổng hợp nhiên liệu sinh học.
Tuy nhiên, Ratcliff và nhóm của ông chủ yếu muốn khám phá xem lợi ích bổ sung này có thể tác động như thế nào đến hành trình của nấm men đơn bào trở thành sinh vật đa bào.
"Chúng tôi có hệ thống mô hình đa bào đơn giản tuyệt đẹp này", Burnetti nói khi đề cập đến MuLTEE đã hoạt động lâu dài. "Chúng tôi muốn cho nó quang dưỡng và xem nó thay đổi quá trình tiến hóa như thế nào ."
