この酵母は光を好む

暗闇で育つ美しい金属植物とは異なり、酵母は一般的に光の中ではうまく機能しない。この菌類は暗闇で発酵させると炭水化物をビールやパンの材料に変える。光にさらすと発酵がまったく進まなくなるため、暗くて乾燥した場所に保管する必要がある。しかし、科学者のグループが、光でよりよく機能する可能性のある酵母株を設計し、簡単な方法でこれらの菌類の進化を促進できる可能性がある。この発見は、1月12日にCurrent Biology誌に掲載された研究で説明されている。

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「酵母を光合成生物（光からエネルギーを生成して利用できる生物）に変えるのがいかに簡単かに、私たちは正直驚きました」と、研究の共著者でジョージア工科大学の細胞生物学者アンソニー・バーネッティ氏は声明で述べた。「必要なのは遺伝子を1つ動かすことだけで、酵母は光の中では暗闇よりも2パーセント速く成長しました。微調整や注意深い誘導なしで、うまくいきました。」

酵母にこのような進化的に重要な特性を与えることで、光屈性がどのように始まったのか、また、進化やバイオ燃料生産、さらには細胞の老化の研究にどのように利用できるのかを理解できるようになるかもしれません。

エネルギーを与えてください

この研究グループによる多細胞生物の進化に関するこれまでの研究が、今回の新しい研究のきっかけとなった。2023年に、同グループはスノーフレーク酵母と呼ばれる単細胞モデル生物が3,000世代にわたって多細胞性に進化する方法を明らかにした。しかし、進化実験の大きな制約の1つはエネルギー不足だった。

「酸素は組織の奥深くまで浸透しにくく、その結果、組織はエネルギーを得る能力を失ってしまいます」とバーネッティ氏は言う。「私はこの酸素ベースのエネルギー制限を回避する方法を探していました。」

光は、生物が酸素なしでエネルギーを増強する方法の 1 つです。しかし、進化の観点から見ると、生物が光を使用可能なエネルギーに変換する能力は複雑です。植物が光をエネルギーとして利用できるようにする分子機構には、合成して他の生物に移植するのが難しい多数のタンパク質と遺伝子が必要です。これは、研究室でも、進化などの自然のプロセスでも困難です。

単純なロドプシン

光をエネルギーに変換できる生物は植物だけではありません。植物に生息する生物の中には、ロドプシンの助けを借りてこの光を利用するものもあります。これらのタンパク質は、細胞に余分な機構を介さずに光をエネルギーに変換できます。

「ロドプシンは生命の樹のいたるところに見られ、進化の過程で生物が互いの遺伝子を獲得して獲得したものと思われる」と、研究の共著者でジョージア工科大学の博士課程の学生、オータム・ピーターソン氏は声明で述べた。

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このような遺伝子交換は水平遺伝子伝達と呼ばれ、近縁関係のない生物間で遺伝情報が共有されます。水平遺伝子伝達は短期間で大きな進化を引き起こす可能性があります。その一例は、細菌が特定の抗生物質に対する耐性を急速に獲得する方法です。これはあらゆる種類の遺伝情報で発生する可能性があり、特にロドプシンタンパク質でよく見られます。

「ロドプシンを多細胞酵母に導入する方法を模索する過程で、ロドプシンをこれまで存在したことのない通常の単細胞酵母に導入することで、過去の進化の過程で起こったロドプシンの水平伝播について学べることがわかりました」とバーネッティ氏は語った。

スポットライトの下で

単細胞生物に太陽光で動くロドプシンを与えることができるかどうかを調べるため、研究チームは寄生菌から合成したロドプシン遺伝子を一般的なパン酵母に加えた。この個々の遺伝子は、細胞の液胞に挿入されるロドプシンの形態をコード化している。これは、ロドプシンのようなタンパク質によって作られる化学勾配を必要なエネルギーに変換できる細胞の一部である。

この液胞ロドプシンにより、酵母は光にさらされると約 2 パーセント速く成長しました。研究チームによると、これは大きな進化上の利点であり、ロドプシンが複数の系統に容易に広がることが鍵となる可能性があります。

「ここには遺伝子が 1 つだけあります。それをさまざまな状況で、これまで光合成生物ではなかった系統に引っ張り込むだけで、うまく機能します」とバーネッティ氏は言う。「これは、この種のシステムが、少なくとも時には、新しい生物の中でその役割を果たすのが本当に簡単だということを物語っています。」

光の中でよりよく機能する酵母は、保存期間を延ばすこともできます。液胞機能も細胞の老化に寄与する可能性があるため、このグループは他のチームと連携して、ロドプシンが酵母の老化効果をどのように軽減するかを研究し始めました。バイオ燃料の進歩のために、同様の太陽光で動く酵母も研究されています。チームはまた、光栄養が酵母の多細胞生物への進化の過程をどのように変えるかを研究したいと考えています。