酵母は暗所で発酵すると炭水化物をパンやビールなどの製品に変えるので、おそらく皆さんもよくご存じでしょう。このような場合、光にさらされるとこのプロセスが妨げられたり、破壊されたりする可能性があります。 Current Biology に掲載された新しい研究では、ジョージア工科大学生物科学部の研究者らが、明るい環境を好む世界初の光増強酵母株を作製した。

アンソニー・バーネット氏は、「率直に言って、酵母を光栄養生物（光エネルギーを利用できる生物）に変換することがいかに簡単であるかに私たちは衝撃を受けました。私たちがしなければならなかったのは、遺伝子を動かすことだけでした。そして、それらは暗闇よりも光の中で2％速く成長しました。微調整や入念ななだめなしで、それはうまくいきました。」と述べました。

このような進化上重要な形質を酵母に簡単に与えることは、この形質がどのようにして生じたのか、またそれをバイオ燃料の生産、進化、細胞の老化などの問題の研究にどのように利用できるのかについての理解に多大な影響を与える可能性があります。

エネルギーブーストを求めて

この研究は、多細胞生物の進化を研究する同グループの過去の研究に触発されたものである。研究チームは昨年、多細胞長期進化実験（MuLTEE）に関する最初の報告書をNature誌に発表し、単細胞モデル生物であるスノーフレーク酵母が3,000世代にわたってどのように多細胞性を進化させたかを明らかにした。

これらの進化実験では、多細胞進化の大きな限界であるエネルギーが明らかになりました。

「酸素は組織の奥深くまで拡散するのが難しいため、組織はエネルギーを得る能力を失います。」 「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きました。」

酸素を使用せずに生物にエネルギーを供給する方法の 1 つは光です。しかし、進化の観点から見ると、光を利用可能なエネルギーに変換する能力は複雑です。たとえば、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、実験室でも自然進化を通じても、合成したり他の生物に移入したりすることが困難な多くの遺伝子やタンパク質が関与しています。

幸いなことに、光をエネルギーに変換する生き物は植物だけではありません。

シンプルにしてください

生物が光を利用するより簡単な方法は、追加の細胞機構を必要とせずに光をエネルギーに変換するタンパク質であるロドプシンを使用することです。

「ロドプシンは生命の樹全体に存在し、生物が進化の過程で互いに遺伝子を獲得することによって獲得されたものと思われる」と研究の筆頭著者であるオータム・ピーターソン氏は述べた。

このタイプの遺伝子交換は水平遺伝子伝達と呼ばれ、密接に関連していない生物間で遺伝情報を共有することが含まれます。遺伝子の水平伝播は、細菌が特定の抗生物質に対して急速に耐性を持つようになるなど、短期間に一見大きな進化の飛躍を引き起こす可能性があります。これはすべての遺伝情報で発生する可能性がありますが、特にロドプシンタンパク質で発生します。

「ロドプシンを多細胞酵母に移入する方法を模索していたところ、ロドプシンを通常の単細胞酵母に移入することで、進化の過程で過去に起こったロドプシンの水平移動を理解できることを発見しました。」

単細胞生物に太陽ロドプシンを装備できるかどうかを確認するために、研究者らは、寄生菌によって合成されたロドプシン遺伝子を一般的なパン酵母に追加した。この特定の遺伝子は、細胞の液胞に挿入されるロドプシンの一種をコードします。液胞は、ミトコンドリアと同様に、ロドプシンのようなタンパク質によって生成される化学勾配をエネルギーに変換する細胞の部分です。

液胞ロドプシンを備えた酵母は、光の下で約 2% 早く増殖しました。これは進化にとって大きな利点です。

「ここには単一の遺伝子があり、それを環境を越えて、これまで光合成をしなかった系統に引き込んだだけで、このように機能します。」 「これは、このシステムが新しい生物において、少なくとも場合によっては非常に簡単に機能することを示しています。」

この単純さは進化に関する重要な洞察を提供し、研究者らは「ロドプシンがいかに簡単に、またなぜ非常に多くの系統に広がることができるのか」を説明している。

空胞機能が細胞の老化に寄与している可能性があるため、研究グループはまた、ロドプシンが酵母の老化の影響をどのように軽減できるかを調査するために協力し始めた。他の研究者は、同様の新しい太陽光発電酵母を使用して、高度な生物生産を研究し始めており、これはバイオ燃料合成などにおける大きな進歩を示す可能性があります。

しかし、研究チームは、この追加の利点が単細胞酵母から多細胞生物への移行にどのような影響を与えるかを調査することにさらに興味を持っています。

「私たちはこの美しくシンプルな多細胞モデルシステムを持っています」とバーネット氏は、長期にわたって実施されている多細胞長期進化実験(MuLTEE)について言及した。 「私たちはそれに光栄養素を与えて、それがその進化にどのような変化をもたらすかを知りたかったのです。」