Neue Erkenntnisse zur Evolution, Bioenergie, zellulärem Altern - Biologen haben lichtbetriebene Hefe entwickelt.

Rhodopsin-Proteine in den blauen Zellwänden helfen diesen Hefen schneller zu wachsen, wenn sie dem Licht ausgesetzt sind. Kredit: Anthony Burnetti, Georgia Institute of Technology

Hefen sind oft dafür bekannt, Kohlenhydrate zu fermentieren und daraus Produkte wie Brot und Bier herzustellen, was in der Regel eine dunkle Umgebung erfordert. Die Belichtung in solchen Situationen kann den Gärungsprozess stören oder verderben.

Jedoch präsentiert eine kürzlich in der Zeitschrift Current Biology veröffentlichte Studie von Forschern der School of Biological Sciences am Georgia Tech eine bahnbrechende Entwicklung: Sie haben einen der ersten Stämme von Hefen entwickelt, die mit eingeschaltetem Licht glücklicher sein könnten.

"Wir waren ehrlich gesagt schockiert, wie einfach es war, die Hefen in Fototrophe (Organismen, die Energie aus Licht gewinnen und nutzen können) umzuwandeln", sagt Anthony Burnetti, ein Forschungswissenschaftler, der im Labor von Professor William Ratcliff arbeitet und der korrespondierende Autor der Studie ist. "Alles, was wir tun mussten, war ein einziges Gen zu verschieben, und sie wuchsen im Licht um 2% schneller als im Dunkeln. Ohne Feinabstimmung oder sorgfältige Überzeugungsarbeit hat es einfach funktioniert."

Die Ausstattung der Hefen mit dieser evolutionär wichtigen Eigenschaft könnte große Auswirkungen auf unser Verständnis davon haben, wie diese Eigenschaft entstanden ist - und wie sie zur Untersuchung von Dingen wie Biofuel-Produktion, Evolution und zellulärem Altern genutzt werden kann.

Biologie-Doktorandin Autumn Peterson, die Hauptautorin der Studie, betrachtet Hefezellen zusammen mit Forschungswissenschaftler Anthony Burnetti, dem korrespondierenden Autor der Studie, im Labor. Kredit: Audra Davidson, Georgia Institute of Technology

Die Forschung wurde durch die frühere Arbeit der Gruppe zur Untersuchung der Evolution mehrzelliger Lebensformen inspiriert. Die Gruppe veröffentlichte im letzten Jahr ihren ersten Bericht über ihr Multicellularity Long-Term Evolution Experiment (MuLTEE) in der Zeitschrift Nature, in dem sie aufdeckten, wie ihr einzelliges Modellorganismus, "Schneeflocken-Hefe", sich über 3.000 Generationen hinweg mehrzellig entwickeln konnte.

Während dieser Evolutionsexperimente trat eine Hauptbegrenzung für die mehrzellige Evolution auf: Energie.

"Sauerstoff hat Schwierigkeiten, tief in das Gewebe einzudringen, und man erhält Gewebe ohne die Fähigkeit, Energie zu erhalten", sagt Burnetti. "Ich suchte nach Möglichkeiten, diese auf Sauerstoff basierende Energiebegrenzung zu umgehen."

Eine Möglichkeit, Organismen einen Energieschub ohne Verwendung von Sauerstoff zu geben, ist durch Licht. Die Fähigkeit, Licht in nutzbare Energie umzuwandeln, kann jedoch aus evolutionärer Sicht kompliziert sein. Zum Beispiel umfasst die molekulare Maschinerie, die es Pflanzen ermöglicht, Licht für Energie zu nutzen, eine Vielzahl von Genen und Proteinen, die sowohl im Labor als auch natürlich durch Evolution schwer zu synthetisieren und zu übertragen sind.

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

Eine einfachere Möglichkeit für Organismen, Licht zu nutzen, ist durch Rhodopsine: Proteine, die Licht in Energie umwandeln können, ohne zusätzliche zelluläre Maschinerie.

"Rhodopsine sind im gesamten Lebensbaum zu finden und werden offensichtlich von Organismen erworben, die über evolutionäre Zeiträume hinweg Gene voneinander erhalten", sagt Autumn Peterson, eine Biologie-Doktorandin, die mit Ratcliff zusammenarbeitet und die Hauptautorin der Studie ist.

Diese Art des genetischen Austauschs wird als horizontale Gentransfer bezeichnet und beinhaltet den Austausch genetischer Informationen zwischen nicht eng verwandten Organismen. Horizontaler Gentransfer kann scheinbar große evolutionäre Sprünge in kurzer Zeit verursachen, so wie Bakterien schnell eine Resistenz gegen bestimmte Antibiotika entwickeln können. Dies kann mit allen Arten von genetischen Informationen geschehen und tritt besonders häufig bei Rhodopsin-Proteinen auf.

Georgia Tech-Biologieforscher, die an der Studie gearbeitet haben, sind (von links nach rechts) Assistant Professor William Ratcliff von der School of Biological Sciences, Center for Microbial Dynamics and Infection Grant Writer Carina Baskett, Biologie-Doktorandin Autumn Peterson (Hauptautorin) und Forschungswissenschaftler Anthony Burnetti (korrespondierender Autor). Kredit: Audra Davidson, Georgia Institute of Technology

"Bei der Suche nach einer Möglichkeit, Rhodopsine in mehrzelligen Hefen zu nutzen", erklärt Burnetti, "haben wir herausgefunden, dass wir durch die Übertragung in gewöhnliche, einzellige Hefen, wo es zuvor noch nie war, etwas über den horizontalen Transfer von Rhodopsinen lernen konnten, der in der Vergangenheit über die Evolution hinweg aufgetreten ist".

Um zu sehen, ob sie einen einzelligen Organismus mit solarbetriebenen Rhodopsin ausstatten könnten, fügten die Forscher dem gewöhnlichen Bäcker-Hefe ein aus einem parasitären Pilz synthetisiertes Rhodopsin-Gen hinzu. Dieses spezifische Gen kodiert für eine Form von Rhodopsin, das in die Vakuole der Zelle eingesetzt würde, einen Teil der Zelle, der ähnlich wie Mitochondrien chemische Gradienten, die von Proteinen wie Rhodopsin erzeugt werden, in Energie umwandeln kann.

Ausgestattet mit Vakuolärem Rhodopsin wuchsen die Hefen ungefähr 2% schneller, wenn sie beleuchtet wurden - ein großer Vorteil in evolutionärer Hinsicht.

“Here we have a single gene, and we’re just yanking it across contexts into a lineage that’s never been a phototroph before, and it just works,” says Burnetti. “This says that it really is that easy for this kind of a system, at least sometimes, to do its job in a new organism.”

This simplicity provides key evolutionary insights and says a lot about “the ease with which rhodopsins have been able to spread across so many lineages and why that may be so,” explains Peterson, who Peterson recently received a Howard Hughes Medical Institute (HHMI) Gilliam Fellowship for her work. Carina Baskett, grant writer for Georgia Tech’s Center for Microbial Dynamics and Infection, also worked on the study.

Because vacuolar function may contribute to cellular aging, the group has also initiated collaborations to study how rhodopsins may be able to reduce aging effects in the yeast. Other researchers are already starting to use similar new, solar-powered yeast to study advancing bioproduction, which could mark big improvements for things like synthesizing biofuels.

Ratcliff and his group, however, are mostly keen to explore how this added benefit could impact the single-celled yeast’s journey to a multicellular organism.

“We have this beautiful model system of simple multicellularity,” says Burnetti, referring to the long-running Multicellularity Long-Term Evolution Experiment (MuLTEE). “We want to give it phototrophy and see how it changes its evolution.”