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酵母菌（這年頭酵母菌也“佛系”）

葡萄糖是能效最高的單糖，微生物對(duì)它“情有獨(dú)鐘”。在葡萄糖存在的情況下，微生物就不愛“吃”其他的糖類，而優(yōu)先代謝葡萄糖。這種微生物特有的本領(lǐng)叫作“葡萄糖抑制”。

近期，中科院微生物所真菌學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員白逢彥領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在研究釀酒酵母時(shí)，發(fā)現(xiàn)有一種馬奶酒酵母放棄了這項(xiàng)“絕活”。

他們發(fā)現(xiàn)并證實(shí)這種酵母出現(xiàn)了“返祖”現(xiàn)象，它獲得生存競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的策略也不同尋常。該成果日前在線發(fā)表于《現(xiàn)代生物學(xué)》。

一種不走尋常路的酵母

距今5億~25億年，由于有花植物的大量出現(xiàn)，微生物開始通過有氧發(fā)酵快速高效地利用前者花蜜和果實(shí)中提供的大量糖類。在眾多糖類中，葡萄糖能效最高，因此哪種微生物能更高效地吸收葡萄糖，通常它就具備了更強(qiáng)的生存優(yōu)勢(shì)。

在這種情況下，葡萄糖抑制機(jī)制應(yīng)運(yùn)而生。很多微生物寧肯抑制對(duì)其他糖類的代謝能力，也要“擠破頭”地爭(zhēng)奪葡萄糖。

然而，白逢彥等人在研究馬奶酒酵母時(shí)，意外地發(fā)現(xiàn)這種酵母很獨(dú)特。在葡萄糖和半乳糖同時(shí)存在的培養(yǎng)基中，與其他菌株優(yōu)先利用葡萄糖，等葡萄糖完全耗盡后，經(jīng)過一段時(shí)間的延滯期再開始利用半乳糖的現(xiàn)象相反，馬奶酒菌株在生長(zhǎng)起始期就優(yōu)先利用半乳糖，然后同時(shí)利用這兩種糖進(jìn)行生長(zhǎng)。

“這一奇怪現(xiàn)象讓我們下意識(shí)地思考，是不是半乳糖相對(duì)于葡萄糖有什么優(yōu)勢(shì)呢？”文章第一作者、中科院微生物所助理研究員段守富說(shuō)。

但很明顯，這是一個(gè)死胡同，因?yàn)槠咸烟鞘枪J(rèn)能效最高的單糖。憑借對(duì)微生物糖酵解以及酵母菌進(jìn)化的豐富了解，白逢彥認(rèn)為應(yīng)該在這種酵母體內(nèi)找原因。他們隨即將研究方向集中在馬奶酒酵母體內(nèi)半乳糖代謝（GAL）基因網(wǎng)絡(luò)的變化上。

自廢“武功”

GAL網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)研究基因調(diào)控的經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)，包括半乳糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、編碼半乳糖酵解酶的結(jié)構(gòu)基因、上述結(jié)構(gòu)基因的激活因子和抑制因子這一對(duì)“開關(guān)”，以及解除抑制因子作用的誘導(dǎo)因子。

白逢彥告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，在經(jīng)典的葡萄糖抑制通路中，只有在葡萄糖被耗盡而半乳糖存在的情況下，GAL網(wǎng)絡(luò)才通過誘導(dǎo)因子激活，開始對(duì)半乳糖的代謝過程。

段守富等發(fā)現(xiàn)，馬奶酒譜系菌株在結(jié)構(gòu)基因的上游抑制序列發(fā)生了突變，從而減弱了中心抑制因子的作用。抑制因子本身也發(fā)生突變，失去了抑制功能。

由于抑制因子功能喪失，作用于該抑制因子的誘導(dǎo)因子也就失去了意義，GAL網(wǎng)絡(luò)成為一個(gè)無(wú)須誘導(dǎo)的組成型表達(dá)網(wǎng)絡(luò)。在這種網(wǎng)絡(luò)中，馬奶酒菌株無(wú)須經(jīng)過一個(gè)延誤時(shí)機(jī)的誘導(dǎo)期，就可以即時(shí)利用乳糖被降解后生成的半乳糖。

同時(shí)，馬奶酒譜系菌株通過基因漸滲將其所有的結(jié)構(gòu)基因置換為早期版本，供體是位于釀酒酵母屬之外的一個(gè)已滅絕或尚未被發(fā)現(xiàn)的古老物種。

在馬奶酒菌株中，“返祖”后的半乳糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因擴(kuò)增，而主要的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因卻被刪除或失去表達(dá)能力，其功能被半乳糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白所替代。

這一系列變化使馬奶酒酵母的GAL網(wǎng)絡(luò)完全解除了葡萄糖抑制效應(yīng)，并通過“返祖”拋棄了漫長(zhǎng)進(jìn)化養(yǎng)成的“專業(yè)分工”，看來(lái)是鐵了心要自廢“武功”了。

然而，馬奶酒酵母真的是“佛系”的嗎？

“另辟蹊徑”的競(jìng)爭(zhēng)策略

為了回答這個(gè)問題，白逢彥等人培育出含有不同GAL基因的人工釀酒酵母菌株，反復(fù)實(shí)驗(yàn)不同糖類環(huán)境下各種酵母對(duì)糖分的利用效率，研究并繪制生長(zhǎng)曲線，終于理解了馬奶酒酵母的 “另類”競(jìng)爭(zhēng)策略。

原來(lái)，在自然發(fā)酵乳制品中，釀酒酵母并不能利用奶中的主要碳源乳糖，只能靠利用其他微生物將乳糖降解后產(chǎn)生的葡萄糖和半乳糖而生存。

“在大多數(shù)微生物都存在葡萄糖抑制效應(yīng)的情況下，都會(huì)優(yōu)先爭(zhēng)搶葡萄糖，導(dǎo)致對(duì)葡萄糖的過度競(jìng)爭(zhēng)，而半乳糖被暫時(shí)閑置。”白逢彥告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，“如果反過來(lái)，避開對(duì)葡萄糖的競(jìng)爭(zhēng)，優(yōu)先利用半乳糖，建立群體優(yōu)勢(shì)后再參與對(duì)葡萄糖的爭(zhēng)奪，在發(fā)酵乳環(huán)境中無(wú)疑是一個(gè)具有巨大優(yōu)勢(shì)的生存策略?！?/p>

正是遵循了這種策略，馬奶酒酵母選擇避開葡萄糖抑制網(wǎng)絡(luò)，以“時(shí)刻準(zhǔn)備著”的態(tài)度大大提高了對(duì)半乳糖的利用效率。

同時(shí)，馬奶酒酵母也沒有為了半乳糖而拋棄利用葡萄糖，而是通過獲取早期版本的半乳糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白達(dá)到在快速優(yōu)先利用半乳糖的情況下同時(shí)利用葡萄糖的目的。

白逢彥認(rèn)為，他們的發(fā)現(xiàn)可為同時(shí)利用不同碳源的酵母細(xì)胞工廠或工程菌的構(gòu)建提供新的策略，通過解除葡萄糖抑制，提高發(fā)酵效率。

“小小的酵母給了我們?nèi)绱硕嗟膯l(fā)和靈感。我們?cè)诟袊@它們的生存智慧之余，由衷地期盼它們能在工業(yè)領(lǐng)域早日迸發(fā)出能量，迎來(lái)無(wú)限前景?！卑追陱┱f(shuō)。

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