Беспрецедентное сравнение сотен видов дрожжей помогло генетикам составить обширную картину их эволюции за последние сотни миллионов лет, включая анализ того, как они развили индивидуальные аппетиты к определенным источникам пищи, которые могут быть благом для исследований в области биотоплива.
Группа исследователей во главе с лабораториями Университета Висконсин-Мэдисон и Университета Вандербильта секвенировала и сравнила геномы 332 видов почкующихся дрожжей, всех представителей подтипа дрожжей, которые размножаются, производя дочерние клетки из почек на их поверхность. Геномы более 200 типов дрожжей были впервые каталогизированы для исследования, которое было опубликовано сегодня (8 ноября 2018 г.) в журнале Cell.
Даже в эпоху сравнений ДНК с большими данными, когда исследования часто включают анализ генов многих людей или многих плодовых мушек одновременно, исследование дрожжей является шагом на новую территорию.
«Это первый крупный геномный проект, подобный этому, в котором на самом деле рассматриваются сотни различных эукариотических видов, а не отдельные особи или изоляты одного и того же вида», - говорит Крис Тодд Хиттингер, профессор генетики Университета Вашингтона в Мэдисоне и один из старшие авторы исследования. «Почкующиеся дрожжи, несмотря на их фенотипическое сходство, генетически сильно отличаются друг от друга. Они так же отличаются друг от друга, как все животные или все растения друг от друга».
Сбор такого обширного пула типов дрожжей дал исследователям достаточно информации, чтобы использовать сравнения меняющейся генетики, чтобы перерисовать генеалогическое древо почкующихся дрожжей на дюжину основных ветвей и нарисовать подробную картину их прошлого.
«Наличие очень широкого спектра биоразнообразия позволяет нам реконструировать эволюционные процессы во времени», - говорит Хиттингер. «Это то, что позволяет нам сделать вывод, что большая часть эволюции почкующихся дрожжей произошла в процессе редуктивной эволюции, когда у вас есть относительно сложный метаболически сложный общий предок, теряющий черты с течением времени».
Этот общий предок - древние дрожжи, чье потомство начало дифференцироваться около 400 миллионов лет назад в сотни изученных видов дрожжей. Это включает в себя вилку около 5 миллионов лет назад, которая дала миру Saccharomyces cerevisiae, дрожжи, на которые полагаются пивовары, пекари и виноделы, чтобы наливать алкоголь в свои бутылки и поднимать свой хлеб.
Первоначальная Saccharomycotina, вероятно, была более сложной, чем ее потомки, в одном важном отношении.
Исследователи исследовали свои дрожжи на наличие 45 признаков, отражающих их способность перерабатывать различные дрожжевые продукты - различные источники углерода и азота, необходимые для хранения энергии и построения клеток. Прослеживая эволюционные пути современных дрожжей, можно предположить, что у общих предков дрожжей был метаболизм, который мог работать с разнообразной диетой.
«Теперь у нас есть более последовательная картина вариаций источников углерода и азота у современных видов», - говорит Дана Опуленте, исследователь с докторской степенью в лаборатории Хиттингера, которая переделала большую часть работы по тестированию признаков за столетие исследователи дрожжей для изучения клеток. «Они показывают нам, что эти дрожжи-предки могли использовать более широкий спектр сахаров, чем современные почкующиеся дрожжи».
Современные дрожжи сузили свои аппетиты в процессе, называемом редуктивной эволюцией, потеряв довольно много из этих 45 признаков, поскольку они специализировались на процветании в своих конкретных нишах.
«Если взять модель почкующихся дрожжей, S. cerevisiae имеет один из наиболее редуцированных геномов», - говорит Хиттингер. «У него отсутствуют многие метаболические способности, которые есть у других почкующихся дрожжей».
Описание метаболизма дрожжей и связанных с ними генов важно для производства биоэнергии, которая зависит от дрожжей и других микробов для превращения растительных клеток в полезное, возобновляемое топливо или соединения, которые могут быть дополнительно переработаны в топливо.
«Биомасса растений очень сложна и распадается на множество различных видов сахаров и других молекул», - говорит Хиттингер, чья лаборатория связана с расположенным в Мэдисоне Университетом штата Вашингтон и финансируемым Департаментом энергетики Центром исследований биоэнергетики Великих озер.. «В конечном счете вам нужен микроб, который сможет съесть их как можно больше и превратить во что-то полезное».
Современные дрожжи, возможно, стали более разборчивыми в еде, но новый анализ их геномов может помочь исследователям в области биотоплива определить полезные навыки среди огромного количества дрожжей-кандидатов.
"Если им нужны дрожжи, способные сбраживать такой сахар, как ксилоза, им не нужно думать: "О, нет, существует более 1000 видов дрожжей". С чего мне начать?», - говорит Яцек Коминек, генетик из лаборатории Hittinger и (вместе с Opulente) один из ведущих авторов исследования Cell. «Этот проект дает им основу, еще один способ решить, какие из них наиболее интересны».
Более того, данные нового исследования могут помочь ученым углубиться в работу этих интересных дрожжей, чтобы выявить генетические различия между дрожжами, которые с удовольствием жуют определенную растительную молекулу, и теми, которые борются с тем же соединением.
«Возможно, они найдут дополнительный ген, который сделает одни дрожжи более полезными, и, возможно, они смогут поместить этот ген в дрожжи, к которым они уже привыкли, например S. cerevisiae», - говорит Опуленте.
И, возможно, они смогут сочетать выгодные входные данные с полезными результатами.
"Одна из самых захватывающих вещей в генетическом разнообразии, которое мы здесь используем, заключается в том, что многие из дрожжей, которые на самом деле имеют самый широкий аппетит к различным источникам углерода, также производят некоторые из самых интересных молекул для хранения энергии. ", - говорит Хиттингер.
Некоторые из них могут упаковывать более половины своего веса в виде маслянистых липидов, которые являются потенциальными предшественниками биодизельного топлива.
«Поскольку у этих видов такой широкий аппетит и поскольку они размещают свой углерод не в этаноле, а в других местах, они толкают углерод по другим путям», - говорит Хиттингер. «В некоторых случаях это правильно в отношении различных видов топлива, прекурсоров топлива или более ценных химикатов».