Forscher stellen lichtbetriebene Hefe her und liefern Einblicke in die Evolution, Biokraftstoffe und Zellalterung

Möglicherweise kennen Sie Hefe als den Organismus, der Kohlenhydrate in Produkte wie Brot und Bier umwandelt, wenn man sie im Dunkeln gären lässt. In diesen Fällen kann Lichteinwirkung den Prozess behindern oder sogar verderben.

In einem neue Studie veröffentlicht in Aktuelle BiologieForscher der School of Biological Sciences der Georgia Tech haben einen der weltweit ersten Hefestämme entwickelt, der bei eingeschaltetem Licht möglicherweise zufriedener ist.

„Wir waren ehrlich gesagt schockiert darüber, wie einfach es war, die Hefe in Phototrophen (Organismen, die Energie aus Licht nutzen können) zu verwandeln“, sagt Anthony Burnetti, ein Forscher, der im Labor von Associate Professor William Ratcliff arbeitet und korrespondierender Autor der Studie. „Alles, was wir tun mussten, war, ein einzelnes Gen zu verschieben, und sie wuchsen im Licht zwei Prozent schneller als im Dunkeln. Ohne Feinabstimmung oder sorgfältiges Überreden hat es einfach funktioniert.“

Die einfache Ausstattung der Hefe mit einem solch evolutionär wichtigen Merkmal könnte von großer Bedeutung für unser Verständnis darüber sein, wie dieses Merkmal entstand – und wie es zur Untersuchung von Dingen wie Biokraftstoffproduktion, Evolution und Zellalterung genutzt werden kann.

Auf der Suche nach einem Energieschub

Die Forschung wurde von früheren Arbeiten der Gruppe zur Untersuchung der Entwicklung des vielzelligen Lebens inspiriert. Die Gruppe veröffentlichte ihren ersten Bericht über ihr Multizellularitäts-Langzeit-Evolutionsexperiment (MuLTEE). Natur Letztes Jahr entdeckten sie, wie ihr einzelliger Modellorganismus, die „Schneeflockenhefe“, über 3.000 Generationen hinweg Mehrzelligkeit entwickeln konnte.

Während dieser Evolutionsexperimente zeigte sich eine wesentliche Einschränkung der vielzelligen Evolution: Energie.

„Sauerstoff hat Schwierigkeiten, tief in das Gewebe einzudringen, und dadurch entsteht Gewebe ohne die Fähigkeit, Energie zu gewinnen“, sagt Burnetti. „Ich suchte nach Möglichkeiten, diese sauerstoffbasierte Energiebeschränkung zu umgehen.“

Eine Möglichkeit, Organismen ohne den Einsatz von Sauerstoff einen Energieschub zu geben, ist Licht. Aber die Fähigkeit, Licht in nutzbare Energie umzuwandeln, kann aus evolutionärer Sicht kompliziert sein. Beispielsweise umfasst die molekulare Maschinerie, die es Pflanzen ermöglicht, Licht zur Energiegewinnung zu nutzen, eine Vielzahl von Genen und Proteinen, die schwer zu synthetisieren und auf andere Organismen zu übertragen sind – sowohl im Labor als auch auf natürlichem Weg durch die Evolution.

Glücklicherweise sind Pflanzen nicht die einzigen Organismen, die Licht in Energie umwandeln können.

Halten Sie es einfach

Eine einfachere Möglichkeit für Organismen, Licht zu nutzen, sind Rhodopsine: Proteine, die Licht ohne zusätzliche Zellmaschinerie in Energie umwandeln können.

„Rhodopsine kommen überall im Baum des Lebens vor und werden offenbar von Organismen erworben, die im Laufe der Evolution Gene voneinander erhalten“, sagt Autumn Peterson, promovierte Biologin. Student, der mit Ratcliff zusammenarbeitet und Hauptautor der Studie.

Diese Art des genetischen Austauschs wird als horizontaler Gentransfer bezeichnet und beinhaltet den Austausch genetischer Informationen zwischen Organismen, die nicht eng miteinander verwandt sind. Der horizontale Gentransfer kann in kurzer Zeit scheinbar große Evolutionssprünge bewirken, etwa wenn Bakterien schnell Resistenzen gegen bestimmte Antibiotika entwickeln. Dies kann bei allen Arten von genetischen Informationen passieren und kommt besonders häufig bei Rhodopsin-Proteinen vor.

„Bei der Suche nach einem Weg, Rhodopsine in mehrzellige Hefen zu übertragen“, erklärt Burnetti, „haben wir herausgefunden, dass wir etwas über den horizontalen Transfer von Rhodopsinen lernen können, der in der Vergangenheit im Laufe der Evolution stattgefunden hat, indem wir sie in reguläre, einzellige Hefen übertragen.“ Hefe, wo sie noch nie zuvor war.

Um zu sehen, ob sie einen einzelligen Organismus mit solarbetriebenem Rhodopsin ausstatten könnten, fügten die Forscher gewöhnlicher Bäckerhefe ein Rhodopsin-Gen hinzu, das aus einem parasitären Pilz synthetisiert wurde. Dieses spezifische Gen ist für eine Form von Rhodopsin kodiert, die in die Vakuole der Zelle eingefügt wird, einen Teil der Zelle, der wie Mitochondrien chemische Gradienten, die von Proteinen wie Rhodopsin erzeugt werden, in Energie umwandeln kann.

Ausgestattet mit vakuolärem Rhodopsin wuchs die Hefe bei Beleuchtung etwa 2 % schneller – ein enormer Vorteil im Hinblick auf die Evolution.

„Hier haben wir ein einzelnes Gen, und wir ziehen es einfach über Kontexte hinweg in eine Abstammungslinie, die noch nie zuvor eine Phototrophe war, und es funktioniert einfach“, sagt Burnetti. „Das besagt, dass es für ein solches System zumindest manchmal wirklich so einfach ist, seine Arbeit in einem neuen Organismus zu erledigen.“

Diese Einfachheit liefert wichtige evolutionäre Erkenntnisse und sagt viel darüber aus, „wie leicht sich Rhodopsine über so viele Abstammungslinien verbreiten konnten und warum das so sein könnte“, erklärt Peterson, der kürzlich einen Gilliam-Preis des Howard Hughes Medical Institute (HHMI) erhalten hat Stipendium für ihre Arbeit. Carina Baskett, Stipendiatin des Center for Microbial Dynamics and Infection der Georgia Tech, arbeitete ebenfalls an der Studie.

Da die Vakuolenfunktion zur Zellalterung beitragen kann, hat die Gruppe auch Kooperationen initiiert, um zu untersuchen, wie Rhodopsine die Alterungseffekte in der Hefe reduzieren können. Andere Forscher beginnen bereits damit, ähnliche neue, solarbetriebene Hefen zu verwenden, um die fortschreitende Bioproduktion zu untersuchen, was große Verbesserungen für Dinge wie die Synthese von Biokraftstoffen bedeuten könnte.

Ratcliff und seine Gruppe sind jedoch vor allem daran interessiert zu erforschen, wie sich dieser Zusatznutzen auf den Weg der einzelligen Hefe zu einem mehrzelligen Organismus auswirken könnte.

„Wir haben dieses wunderschöne Modellsystem einfacher Mehrzelligkeit“, sagt Burnetti und bezieht sich auf das langjährige MuLTEE. „Wir wollen ihm Phototrophie verleihen und sehen, wie es seine Entwicklung verändert.“