從食品發酵、工業應用到科研模式生物，酵母是與人類關係最為密切的真菌之一。
酵母利用澱粉、糖等作為能量來源（碳）。然而近日，喬治亞理工學院研究人員證明，酵母也能夠將光作為能量，從而對碳水化合物的依賴性有所降低。
這項工作以預印本在 bioRxiv 上報導，題為 「Using light for energy: examining the evolution of phototrophic metabolism through synthetic construction」。
「這是更複雜的人工光合作用工程模式的第一步。」 西北大學地球生物學家 Magdalena Rose Osburn 說（他未參與這項研究）。這項研究還包含一個關鍵的進化轉變 —— 光的利用。聖母大學的真菌細胞生物學家 Felipe Santiago-Tirado 認為 「這是非同尋常的。在某種程度上，就像把動物變成植物。」
不過，這項工作並非讓酵母通過常見的葉綠素進行光合作用。
為了將二氧化碳轉化為生命的燃料 —— 糖，植物依靠一種含有葉綠素的蛋白複合物來轉移電子和質子，電子和質子進入後續的化學反應並轉移能量。研究人員多年來一直致力於重建光合作用，以探索如何更有效地利用光作為太陽能電池板和其他應用的能源，並移植到其他生物以提高生產力。
但是葉綠素蛋白質複合物需要許多其他分子來完成光合反應，過程複雜。因此，喬治亞理工學院的遺傳學家 Anthony Burnetti 和進化生物學家 William Ratcliff 希望尋求一種更簡單的解決方案。他們專注於一種稱為視紫紅質（rhodopsin）的蛋白質，這種蛋白質不需要其他繁瑣的大分子複合物。
▲圖丨視紫紅質（來源：[3]）
光營養代謝有兩種類型，葉綠素營養和視網膜光營養（retinalophototrophy）。相比前者，視網膜光營養利用由單個微生物視紫紅質蛋白（Microbial rhodopsin）組成的簡單系統。這個過程中沒有葉綠素驅動的氧化還原反應，而是每吸收一個光子泵送一個質子，而質子與能量（ATP）的產生有關。
因此，這意味著視網膜光養生物無法進行傳統的碳固定（從二氧化碳轉化為有機化合物的基本光合作用過程），專家認為該途徑效率低於葉綠素參與的光合作用。細菌、一些原生生物、海藻、甚至藻類病毒中都有使用視紫紅質將光轉化為可用能量的現象。
微生物視紫紅質很容易水平轉移，因其由單個基因編碼，只需要 4 個額外的基因來合成必要的視網膜色素輔因子。相比之下，葉綠素營養途徑的水平轉移至少需要 30 個基因。
微生物視紫紅質轉移的簡單性和易用性，以及關於這種蛋白質在促進飢餓恢復方面的生理效應的實驗，表明它們提供了一種進化上可行的替代光營養代謝。作為一種不依賴於消耗生物質的替代能源，這代表了一種在不消耗稀缺資源的情況下提供基本能量代謝的方法。
在這項工作中，研究人員首先將屬於海洋細菌的視紫紅質基因插入釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）。Benetti 希望視紫紅質能夠進入酵母的液泡，這是一種富含酶的囊狀物，可以降解生物體不需要的蛋白質。而這個降解的過程需要三磷酸腺苷（ATP）推動：APT 將質子泵入液泡中，使其內部呈酸性，酸性環境最適宜蛋白質降解。
（來源：[2]）
Benetti 想知道光能是否可以產生 ATP 從而推動以上過程。但是，該基因產生的視紫紅質蛋白進入的不是液泡，而是進行蛋白質合成的另一細胞結構。因此，Benetti 轉而尋找已知存在於液泡中的視紫紅質。他決定使用一種來自玉米黑穗病（一種真菌病原體）的視紫紅質。通過綠色螢光標籤，他們確認了該視紫紅質已定位於酵母的液泡。
Burnetti 團隊的成員研究生 Autumn Peterson 更進一步證明這種工程酵母確實在使用光。她將其與對照組酵母暴露在綠光下（綠光是視紫紅質最敏感的波長）。結果表明，光敏菌株中的細胞壽命較短，但繁殖速度快，比非光敏酵母繁殖速度高出 0.8%。這是一個 「巨大的優勢」，Santiago-Tirado 說。Peterson 預計，在光照下隨著時間的推移，使用光的細胞最終會取代未改變的細胞，就像早期的光合生物可能已經取代了其在自然界中的競爭對手一樣。
Burnetti 等研究人員認為，光誘導視紫紅質將更多的質子泵入液泡中，減輕了細胞為這項任務消耗 ATP 的需要，從而將本該用於液泡消耗的能量用於細胞的其他生理過程。另一方面，液泡能量充足、酸度提高，可能會降低液泡外的酸度，導致那裡的酶活性增高但耗損也多，這有可能解釋這些酵母較高的死亡率。不過，無論視紫紅質以何種方式工作，「它顯然對酵母細胞有益。」 科羅拉多大學安舒茨醫學院的分子生物學家 Michael McMurray 說。
但該實驗可能無法揭示視紫紅質的使用在自然界中是如何進化的。「我認為作者過分強調了他們工作的進化意義。」 聖路易斯華盛頓大學名譽生物化學家 Robert Blankenship 說，「這是一種人為的構造，不是自然進化的產物。」
其他人認為這項工作可以具有工業、醫學和基礎研究應用潛力。維吉尼亞聯邦大學研究衰老的生物學家 Alaattin Kaya 說，這些酵母細胞可以幫助澄清為什麼液泡酸化有時似乎會導致線粒體功能障礙，進而加速衰老。他很想將視紫紅質添加到線粒體中，以觀察其影響。
Burnetti 也想瞄準線粒體。「因為線粒體可以有效地製造 ATP，添加視紫紅質或許有助於從太陽能直接產生能量。從這個假設上說，酵母將會像植物。」
參考資料：
1.https://www.science.org/content/article/scientists-engineer-first-light-powered-yeast
2.https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.12.06.519405v2
3.https://en.wikipedia.org/wiki/Retinalophototroph
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