연구원들은 진화, 바이오 연료, 세포 노화에 대한 통찰력을 제공하는 빛으로 구동되는 효모를 만듭니다.

어둠 속에서 발효되도록 방치하면 탄수화물을 빵이나 맥주와 같은 제품으로 바꾸는 유기체 함량인 효모에 대해 잘 알고 계실 것입니다. 이러한 경우 빛에 노출되면 공정이 방해를 받거나 심지어 망칠 수도 있습니다.

에 발표된 새로운 연구에서 현재 생물학조지아 공과대학 생물과학부의 연구원들은 불을 켜면 더 행복해질 수 있는 세계 최초의 효모 종 중 하나를 설계했습니다.

William Ratcliff 부교수의 연구실에서 연구 과학자이자 해당 연구의 교신저자인 Anthony Burnetti는 “우리는 효모를 광영양생물(빛의 에너지를 이용하고 사용할 수 있는 유기체)로 바꾸는 것이 얼마나 간단한지 보고 솔직히 충격을 받았습니다.”라고 말했습니다. “우리가 해야 할 일은 유전자 하나를 옮기는 것뿐이었고, 어둠 속에서보다 빛 속에서 2% 더 빨리 자랐습니다. 미세 조정이나 주의 깊은 동조 없이도 제대로 작동했습니다.”

효모에 진화적으로 중요한 특성을 쉽게 갖추는 것은 이 특성이 어떻게 시작되었는지, 그리고 바이오 연료 생산, 진화 및 세포 노화와 같은 연구에 이 특성이 어떻게 사용될 수 있는지 이해하는 데 큰 의미가 있습니다.

에너지 부스트를 찾고 있습니다

이 연구는 다세포 생물의 진화를 조사한 그룹의 과거 연구에서 영감을 얻었습니다. 이 그룹은 다세포성 장기 진화 실험(MuLTEE)에 대한 첫 번째 보고서를 다음과 같이 발표했습니다. 자연 작년에 단세포 모델 유기체인 “눈송이 효모”가 어떻게 3,000세대에 걸쳐 다세포로 진화할 수 있었는지 밝혀냈습니다.

이러한 진화 실험 전반에 걸쳐 다세포 진화에 대한 한 가지 주요 제한 사항이 나타났습니다. 바로 에너지입니다.

Burnetti는 “산소는 조직 깊숙이 확산되는 데 어려움을 겪으며 결과적으로 에너지를 얻을 수 있는 능력 없이 조직을 얻게 됩니다.”라고 말합니다. “저는 산소 기반 에너지 제한을 극복할 수 있는 방법을 찾고 있었습니다.”

산소를 사용하지 않고 유기체에 에너지를 공급하는 한 가지 방법은 빛을 이용하는 것입니다. 그러나 빛을 사용 가능한 에너지로 바꾸는 능력은 진화론적 관점에서 볼 때 복잡할 수 있습니다. 예를 들어, 식물이 빛을 에너지로 사용하도록 하는 분자 기계에는 합성이 어렵고 실험실에서나 자연적으로 진화를 통해 다른 유기체로 전달하기 어려운 수많은 유전자와 단백질이 포함됩니다.

다행히 식물만이 빛을 에너지로 전환할 수 있는 유일한 유기체는 아닙니다.

간단하게 유지하기

유기체가 빛을 사용하는 더 간단한 방법은 로돕신을 사용하는 것입니다. 로돕신은 추가적인 세포 기구 없이 빛을 에너지로 변환할 수 있는 단백질입니다.

생물학 박사인 Autumn Peterson은 “로돕신은 생명나무 전체에서 발견되며 진화 과정에서 유기체가 서로 유전자를 얻음으로써 획득되는 것으로 보입니다”라고 말합니다. Ratcliff와 함께 연구하는 학생이자 연구의 주요 저자입니다.

이러한 유형의 유전자 교환을 수평적 유전자 전달이라고 하며 밀접하게 관련되지 않은 유기체 간에 유전 정보를 공유하는 것을 포함합니다. 수평적 유전자 전달은 박테리아가 특정 항생제에 대한 내성을 빠르게 개발할 수 있는 것처럼 짧은 시간에 겉보기에 큰 진화적 도약을 일으킬 수 있습니다. 이는 모든 종류의 유전 정보에서 발생할 수 있으며 특히 로돕신 단백질에서 흔히 발생합니다.

Burnetti는 “로돕신을 다세포 효모로 전환하는 방법을 찾는 과정에서 과거 진화 전반에 걸쳐 발생했던 로돕신의 수평 이동을 일반 단세포 효모로 전환함으로써 배울 수 있다는 사실을 발견했습니다.”라고 Burnetti는 설명합니다. 이전에 한 번도 없었던 효모입니다.”

단세포 유기체에 태양열로 구동되는 로돕신을 장착할 수 있는지 확인하기 위해 연구자들은 기생 곰팡이에서 합성된 로돕신 유전자를 일반 빵 효모에 추가했습니다. 이 특정 유전자는 미토콘드리아와 마찬가지로 로돕신과 같은 단백질에 의해 만들어진 화학적 구배를 에너지로 바꿀 수 있는 세포의 일부인 세포의 액포에 삽입되는 로돕신의 형태로 코딩됩니다.

액포성 로돕신을 장착한 효모는 불을 ​​붙였을 때 약 2% 더 빠르게 성장했습니다. 이는 진화 측면에서 큰 이점입니다.

Burnetti는 “여기에는 단일 유전자가 있으며, 이전에는 결코 광영양생물이 아니었던 계통으로 그것을 맥락을 가로질러 잡아당기고 있으며 그것은 제대로 작동합니다”라고 말합니다. “이것은 이런 종류의 시스템이 적어도 때로는 새로운 유기체에서 그 역할을 수행하는 것이 정말 쉽다는 것을 의미합니다.”

이러한 단순성은 중요한 진화론적 통찰력을 제공하며 “로돕신이 그렇게 많은 계통에 쉽게 퍼질 수 있었고 왜 그럴 수 있는지”에 대해 많은 것을 말해줍니다. Peterson은 최근 Howard Hughes Medical Institute(HHMI) Gilliam의 지원을 받았습니다. 그녀의 작업에 대한 친목. Georgia Tech의 미생물 역학 및 감염 센터의 보조금 작성자인 Carina Baskett도 이 연구에 참여했습니다.

액포 기능이 세포 노화에 기여할 수 있기 때문에 연구팀은 로돕신이 효모의 노화 효과를 어떻게 감소시킬 수 있는지 연구하기 위한 협력도 시작했습니다. 다른 연구자들은 이미 유사한 새로운 태양열 구동 효모를 사용하여 바이오 연료 합성과 같은 분야에서 큰 개선을 가져올 수 있는 생물 생산의 발전을 연구하기 시작했습니다.

그러나 Ratcliff와 그의 그룹은 이러한 추가적인 이점이 단세포 효모가 다세포 유기체로 전환하는 과정에 어떤 영향을 미칠 수 있는지 탐구하는 데 열중하고 있습니다.

Burnetti는 장기간에 걸쳐 진행된 다세포성 장기 진화 실험(MuLTEE)을 언급하면서 “우리는 단순한 다세포성의 아름다운 모델 시스템을 가지고 있습니다”라고 말합니다. “우리는 광영양성을 부여하고 그것이 진화를 어떻게 변화시키는지 보고 싶습니다.”

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/01/240112114836.htm