Sie kennen Hefe wahrscheinlich, denn wenn sie im Dunkeln fermentiert wird, wandelt sie Kohlenhydrate in Produkte wie Brot und Bier um. In diesen Fällen kann Lichteinwirkung diesen Prozess behindern oder sogar zerstören. In einer neuen, in Current Biology veröffentlichten Studie haben Forscher der School of Biological Sciences der Georgia Tech den weltweit ersten Stamm lichtverstärkender Hefen entwickelt, der helle Umgebungen bevorzugt.
Anthony Burnett sagte: „Ehrlich gesagt waren wir schockiert darüber, wie einfach es war, Hefe in Phototrophen (Organismen, die Lichtenergie nutzen können) umzuwandeln. Wir mussten nur ein Gen verschieben und sie wuchsen im Licht 2 % schneller als im Dunkeln. Ohne Feinabstimmung oder aufwendiges Überreden hat es einfach funktioniert.“
Die einfache Ausstattung von Hefe mit solch einem evolutionär wichtigen Merkmal könnte enorme Auswirkungen auf unser Verständnis darüber haben, wie dieses Merkmal entstand und wie es zur Untersuchung von Themen wie Biokraftstoffproduktion, Evolution und Zellalterung genutzt werden kann.
Auf der Suche nach einem Energieschub
Die Studie wurde von früheren Arbeiten der Gruppe zur Untersuchung der Evolution des vielzelligen Lebens inspiriert. Das Team veröffentlichte letztes Jahr seinen ersten Bericht über das Multizelluläre Langzeit-Evolutionsexperiment (MuLTEE) in Nature und enthüllte, wie ihr einzelliger Modellorganismus, die Schneeflockenhefe, über 3.000 Generationen hinweg Mehrzelligkeit entwickelte.
In diesen Evolutionsexperimenten zeigte sich eine wesentliche Einschränkung der vielzelligen Evolution: Energie.
„Sauerstoff hat es schwer, tief in das Gewebe zu diffundieren, sodass man Gewebe erhält, das nicht in der Lage ist, Energie zu gewinnen.“ „Ich habe nach Möglichkeiten gesucht, diese sauerstoffbasierte Energiebeschränkung zu umgehen.“
Eine Möglichkeit, lebenden Organismen ohne den Einsatz von Sauerstoff Energie zuzuführen, ist Licht. Doch aus evolutionärer Sicht ist die Fähigkeit, Licht in nutzbare Energie umzuwandeln, kompliziert. Beispielsweise umfasst die molekulare Maschinerie, die es Pflanzen ermöglicht, Licht als Energie zu nutzen, viele Gene und Proteine, die sowohl im Labor als auch durch die natürliche Evolution nur schwer zu synthetisieren und auf andere Organismen zu übertragen sind.
Glücklicherweise sind Pflanzen nicht die einzigen Lebewesen, die Licht in Energie umwandeln.
Halte es einfach
Eine einfachere Möglichkeit für Organismen, Licht zu nutzen, ist Rhodopsin: ein Protein, das Licht in Energie umwandelt, ohne dass zusätzliche zelluläre Maschinen erforderlich sind.
„Rhodopsin kommt im gesamten Lebensbaum vor und wurde offenbar von Organismen erworben, die im Laufe der Evolution Gene voneinander erwarben“, sagte Autumn Peterson, die Hauptautorin 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 zu scheinbar großen Evolutionssprüngen führen, beispielsweise dazu, dass Bakterien schnell resistent gegen bestimmte Antibiotika werden. Dies kann bei allen genetischen Informationen passieren, insbesondere aber beim Rhodopsin-Protein.
„Auf der Suche nach Möglichkeiten, Rhodopsin in mehrzellige Hefe zu übertragen, entdeckten wir, dass wir den horizontalen Transfer von Rhodopsin, der in der Vergangenheit während der Evolution stattfand, verstehen konnten, indem wir es in normale einzellige Hefe übertragen.“
Um zu sehen, ob sie einzellige Organismen mit solarem Rhodopsin ausstatten könnten, fügten die Forscher gewöhnlicher Bäckerhefe ein Rhodopsin-Gen hinzu, das von einem parasitären Pilz synthetisiert wurde. Dieses spezielle Gen kodiert für eine Form von Rhodopsin, die in die Vakuolen der Zelle eingebaut wird, den Teil der Zelle, der wie die Mitochondrien die von Proteinen wie Rhodopsin erzeugten chemischen Gradienten in Energie umwandelt.
Ausgestattet mit vakuolärem Rhodopsin wuchs die Hefe im Licht etwa zwei Prozent schneller – ein großer Vorteil für die Evolution.
„Hier haben wir ein einzelnes Gen und wir haben es einfach über Umgebungen hinweg in eine Linie übertragen, die noch nie zuvor phototroph war, und es funktioniert so.“ „Das zeigt, dass es für dieses System wirklich einfach ist, zumindest manchmal in einem neuen Organismus zu funktionieren.“
Diese Einfachheit liefert wichtige evolutionäre Erkenntnisse und die Forscher veranschaulichen, „wie leicht und warum sich Rhodopsin über so viele Abstammungslinien verbreiten kann“.
Da die Vakuolenfunktion zur Zellalterung beitragen kann, begann die Gruppe auch mit der Zusammenarbeit, um zu untersuchen, wie Rhodopsin die Alterungseffekte bei Hefen reduzieren könnte. Andere Forscher haben begonnen, ähnliche neue solarbetriebene Hefen zu verwenden, um die fortgeschrittene biologische Produktion zu untersuchen, was einen großen Fortschritt in der Biokraftstoffsynthese und mehr bedeuten könnte.
Das Team ist jedoch mehr daran interessiert zu untersuchen, wie sich dieser zusätzliche Vorteil auf den Übergang von einzelligen Hefen zu mehrzelligen Organismen auswirkt.
„Wir haben dieses wunderschöne, einfache mehrzellige Modellsystem“, sagte Burnett und bezog sich dabei auf das seit langem laufende Multizelluläre Langzeit-Evolutionsexperiment (MuLTEE). „Wir wollten ihm Photonährstoffe geben und sehen, wie sich dadurch seine Entwicklung verändert.“