光合成能力を持つ新酵母株の開発：バイオエネルギーと進化の新展開

エネルギーを高めたい

研究チームは、多細胞生命の進化を探求する過去の研究に触発されました。彼らは昨年「Nature」誌にその多細胞性長期進化実験（MuLTEE）の最初の報告を発表し、その単細胞モデル生物「スノーフレーク酵母」が3,000世代にわたり多細胞性を進化させることができたことを明らかにしました。

これらの進化実験を通じて、多細胞進化にとっての大きな制約が一つ現れました。それはエネルギーです。

「酸素は組織の奥深くまで拡散するのが難しく、結果としてエネルギーを得られない組織が生じます。私はこの酸素に基づくエネルギー制限を回避する方法を探していました。」とバーネッティ博士は述べています。

酸素を使用せずに生物にエネルギーを提供する一つの方法は、光を利用することです。しかし、光を使えるエネルギーに変換する能力は、進化的な観点から見ると複雑です。例えば、植物が光エネルギーを利用するための分子機構には、合成して他の生物に移すことが困難な多くの遺伝子とタンパク質が関与しています。

幸運なことに、植物だけが光をエネルギーに変換できる唯一の生物ではありません。

シンプルに保つ

生物が光を利用するよりシンプルな方法は、追加の細胞内機構なしで光をエネルギーに変換できるロドプシンというタンパク質を使用することです。

「ロドプシンは生命の樹全体に見られ、進化の過程で他の生物から遺伝子を取得することによって獲得されるようです」と、ラットクリフ氏と共に働き、研究の主著者である生物学の博士課程学生オータム・ピーターソンは言います。

このタイプの遺伝子交換は水平遺伝子移動と呼ばれ、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を含みます。水平遺伝子移動は、短時間で大きな進化的飛躍を引き起こす可能性があり、例えば、細菌が特定の抗生物質に対して迅速に抵抗性を開発するように、あらゆる種類の遺伝情報で起こり得ます。この現象はロドプシンタンパク質で特に一般的です。

「多細胞酵母にロドプシンを取り入れる方法を模索する過程で、私たちは過去の進化を通じて起こったロドプシンの水平移動について学ぶことができました。それを以前には存在しなかった普通の単細胞酵母に移すことによってです。」とバーネッティ博士は説明しました。

研究者らは単細胞生物に太陽動力ロドプシンを装備させることができるかを見るために、寄生性真菌から合成されたロドプシン遺伝子を普通のパン酵母に追加しました。この特定の遺伝子は、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作られる化学勾配をエネルギーに変換できる細胞の一部である液胞に挿入されるロドプシンの形をコードしています。

液胞ロドプシンを装備した酵母は、照らされた時に約2%速く成長しました。これは進化の観点から見て大きな利益です。

「ここに単一の遺伝子があり、私たちはそれをただ文脈を超えて今まで光合成生物ではなかった系統に引っ張ってきただけで、それが単に機能しました。これは、少なくとも時々、この種のシステムが新しい生物でその役割を果たすのが本当に容易であることを示しています。」とバーネッティ博士は言います。

この単純さは重要な進化的洞察を提供し、多くの系統にわたってロドプシンがどのように広がることができたか、そしてそれがなぜ容易であったのかについて多くを語っています。ピーターソン氏は、彼女の仕事に対して最近ハワード・ヒューズ医学研究所（HHMI）ギリアムフェローシップを受け取りました。ジョージア工科大学の微生物動態と感染センターの助成金ライター、カリーナ・バスケットもこの研究に取り組みました。

液胞の機能が細胞の老化に寄与する可能性があるため、このグループはまた、ロドプシンが酵母の老化効果を減少させる方法について研究するためのコラボレーションを開始しました。他の研究者は既に、バイオ燃料の合成などの取り組みに大きな改善をもたらす可能性がある類似の新しい太陽動力酵母の使用を開始しています。

しかし、ラットクリフ氏とそのグループは、この追加された利点が単細胞酵母の多細胞生物への進化にどのように影響するかを探ることに主に関心を持っています。

「私たちはこの美しい単細胞多細胞性のモデルシステムを持っています。私たちはそれに光合成性を与えて、その進化がどのように変わるかを見たいのです。」とバーネッティ博士は言い、長期にわたる多細胞性長期進化実験（MuLTEE）を目指すとしています。

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