酵母是碳水化合物爱好者，通过发酵来自面团、葡萄和谷物等来源的糖和淀粉来维持自身，面包、葡萄酒和啤酒是快乐的副产品。现在，研究人员通过使其能够利用光作为能量。
上周在预印本服务器bioRxiv上报道的这项工作是在更复杂的人工光合作用工程模式中迈出的第一步，它还概括了一个关键的进化过渡——光的利用。在某种程度上，这就像把动物变成植物一样。
为了将二氧化碳转化为糖，为地球上的生命提供燃料，植物依靠一种包括叶绿素的蛋白质复合体来穿梭电子和质子，进行化学反应并传递能量。多年来，研究人员一直致力于重建光合作用，以探索如何更有效地利用光作为太阳能电池板和其他应用的能源，以及如何培育植物和其他有机体，从而提高生产力。
但叶绿素复合物需要许多其他分子才能发挥作用。因此，佐治亚理工学院的遗传学家Anthony Burnetti和佐治亚理工大学的进化生物学家William Ratcliff寻求一个更简单的解决方案。他们找到了一种称为视紫红质的蛋白质，这种蛋白质不需要大分子环境。这也是自然界已经确定的解决方案：细菌、一些原生生物、海藻，甚至藻类病毒都使用视紫红质将光转化为可用能量，通常用于泵送质子以实现细胞功能。
研究人员首先将一种海洋细菌的视紫红质基因插入啤酒酵母中在培养皿中。紫红质希望视紫红质能进入酵母的液泡，这是一个酶活性囊，可以降解不需要的蛋白质。一种叫做三磷酸腺苷（ATP）的能量分子通过将质子泵入液泡，使其内部的酸性最适合降解，从而为这一过程提供燃料。
光能能否代替它完成这项工作。但是，当该基因产生的视紫红质蛋白进入另一个不以蛋白质降解而以蛋白质合成著称的隔间时，该团队的第一次努力失败了。因此，紫红质转而寻找已知存在于液泡中的视紫红质。他决定使用一种来自玉米黑穗病菌的真菌。通过在蛋白质上贴上绿色荧光标签，他和他的同事们证实，正如他们所希望的那样，它已经定位在酵母的液泡中。
Burnetti团队的研究生Autumn Peterson更进一步证明了这种工程酵母确实使用了光。她在与原始未经改变的酵母相同的培养皿中培养新菌株，并将其暴露在绿光下，而波长视紫红质对绿光最为敏感。研究小组发现，感光菌株中的细胞寿命较短，但繁殖速度足够快，比非感光酵母快0.8%。这是一个“巨大的优势”。随着时间的推移，光电池最终将取代未经改变的光电池，就像早在亿万年前，早期的光用户可能已经取代了他们的竞争对手一样。
Burnetti和他的同事认为，光诱导视紫红质将更多的质子泵入液泡，从而减轻细胞在这项任务中消耗ATP的需要，并释放出能量以帮助细胞以其他方式生长。增加液泡内的酸度可能会减少液泡外的酸度，导致那里的酶更快地工作，更快地消耗，这也可能有助于解释这些改变的细胞中死亡率更高的原因。科罗拉多大学安舒茨医学院的分子生物学家Michael McMurray表示，无论它以何种方式工作，“它显然对酵母细胞有益。”
但该实验可能无法揭示视紫红质在自然界中的进化过程。圣路易斯华盛顿大学名誉生物化学家Robert Blankenship表示：“我认为作者过分强调了他们工作的进化意义。这是一个人工构造，不是自然进化的产物。”
其他人认为这项工作可以用于工业、医学和基础研究。弗吉尼亚联邦大学（Virginia Commonwealth University）研究衰老的生物学家Alaatin Kaya表示，这些酵母细胞可以帮助澄清为什么细胞生命中的液泡酸化有时似乎会导致线粒体功能失常，进而加速衰老。他希望将视紫红质添加到线粒体中，以观察其影响。
Burnetti也想以线粒体为靶点，但原因不同。“尽管这似乎在自然界中从未发生过，但我们确实计划最终将视紫红质放入线粒体。”因为线粒体可以有效地生成ATP，添加视紫红素可以像光合作用一样直接从太阳提供大量能量。在这方面，酵母会更像植物。
