Czy drożdże mogą być zdolne do fotosyntezy?Czas czytania: 9 min

Wieści ze świata nauki to cykl tekstów skupiających się na najnowszych doniesieniach naukowo-badawczych z różnorodnych dziedzin. W tekstach tych omawiane są bieżące artykuły publikowane w prestiżowych czasopismach naukowych, a także ich znaczenie dla stanu współczesnej wiedzy. Powszechnie znana jest sentencja autorstwa Newtona, zgodnie z którą to, „co my wiemy, to tylko kropelka. Czego nie wiemy, to cały ocean.” Celem tekstów publikowanych w tym dziale jest przybliżenie czytelnikom właśnie tych kropelek.

Drożdże to jednokomórkowe organizmy posiadające jądro komórkowe. Zaliczane są do królestwa grzybów. Rozmnażają się bezpłciowo przez pączkowanie. Drożdże dzielą się na workowce oraz podstawczaki, a wszystkich gatunków jest około 1500¹. Do najbardziej znanych workowców należy gatunek Saccharomyces cerevisiae, którego szczepy wykorzystywane są między innymi w przemyśle piekarniczym, piwowarskim, winiarskim, gorzelniczym, a także w lecznictwie oraz kosmetologii².

Działanie drożdży oraz proces fermentacji

Drożdże pozyskują energię dzięki fermentacji węglowodanów, zarówno cukrów prostych, jak i skrobi. Fermentacja jest enzymatycznym procesem przemian związków organicznych w warunkach beztlenowych i pozwala na pozyskanie adenozynotrójfosforanu (ATP), czyli podstawowej cząsteczki energetycznej potrzebnej do przeprowadzania procesów życiowych. W związku z tym fermentację nazywa się także oddychaniem beztlenowym. Produktem fermentacji jest związek otrzymywany z przemiany kwasu pirogronowego, czyli – w zależności od substratów – alkohol etylowy, kwas mlekowy lub inne kwasy organiczne³. W przypadku drożdży Saccharomyces cerevisiae jest to najczęściej alkohol etylowy, co bezpośrednio wykorzystuje się w przemyśle alkoholowym oraz farmaceutycznym, a pośrednio również w piekarnictwie. W tej ostatniej gałęzi przemysłu nie jest jednak najistotniejsze otrzymanie alkoholu etylowego, bowiem w procesie fermentacji alkoholowej drożdże zamieniają cukry nie tylko w alkohol etylowy, ale także w dwutlenek węgla. W piekarnictwie wykorzystuje się właśnie to, że dwutlenek węgla tworzy w cieście pęcherzyki gazu, powodując wyrastanie ciasta. W trakcie wypiekania pęcherzyki te zwiększają swoją objętość, powodując, że ciasto wyrasta jeszcze bardziej⁴. Drożdże wzrastają jeszcze przed wypiekiem i przeprowadzają szereg procesów życiowych (np. rozmnażanie przez pączkowanie) dzięki temu, że w reakcjach fermentacji uzyskują one ATP, konieczny do przeprowadzania tych procesów.

W kwietniu 2023 roku na platformie BioRxiv (ogólnodostępnym repozytorium prac naukowych z zakresu biologii, które nie zostały jeszcze oficjalnie opublikowane w czasopiśmie naukowym) ukazał się artykuł zatytułowany Using Light for Energy: Examining the Evolution of Phototrophic Metabolism through Synthetic Construction [Wykorzystanie światła do pozyskiwania energii. Badanie ewolucji metabolizmu fototroficznego poprzez sztuczną konstrukcję], w którym autorzy wykazują, że drożdże Saccharomyces cerevisiae są w stanie czerpać energię ze światła, a nie jak do tej pory uważano jedynie z węglowodanów⁵. Badania przeprowadzono za pomocą transferu genowego.

Zastąpienie węglowodanów światłem?

Jak wiadomo, rośliny i niektóre bakterie są w stanie przeprowadzać proces fotosyntezy, czyli przekształcania dwutlenku węgla w cukry, przy pomocy światła słonecznego. Drożdże z kolei są organizmami w pełni cudzożywnymi, dlatego też nie mają wykształconej zdolności do przeprowadzania procesu fotosyntezy lub innych procesów gwarantujących samożywność.

Autorzy badania zwrócili uwagę na rodopsynę – światłoczułe białko obecne w ludzkim oku, jak również wykorzystywane przez niektóre mikroorganizmy do pozyskiwania energii ze światła⁶. Zauważają przy tym, że retinalofototrofia, czyli samożywność oparta na prostym systemie rodopsyn, jest znacznie łatwiejsza do odtworzenia niż ta oparta na skomplikowanych mechanizmach chloroplastów⁷. Kolejnym argumentem za wybraniem retinalofototrofii było to, że geny rodopsyny oraz podobne wielokrotnie ulegały poziomemu transferowi genów, a więc procesowi przekazywania genów pomiędzy organizmami różnych gatunków, pozostających ze sobą w ścisłej zależności ekologicznej⁸.

Badacze postanowili przetransferować gen kodujący rodopsynę do wakuoli drożdży z gatunku Saccharomyces cerevisiae. Okazało się, że tak zmodyfikowane kolonie drożdży w odpowiedzi na stymulację zielonym światłem rozrastają się (za pomocą procesów wzrostowych oraz rozmnażania przez pączkowanie) o 0,8% w stosunku do drożdży bez wspomnianej modyfikacji. Światło pobudza bowiem rodopsynę do tego, aby dostarczała protony do wakuoli, dzięki czemu drożdże oszczędzają ATP, który mogą wykorzystać do procesów wzrostowych lub rozmnażania⁷.

Co wynika z tych badań?

Według autorów artykułu badania pokazują, że umiejętny transfer pojedynczego genu rodopsyny może wzbudzić fototrofię (odżywianie się przy pomocy światła) nawet u organizmów cudzożywnych. Badacze dodają także, że „wyniki te wskazują na niezwykłą łatwość, z jaką rodopsyny mogą być przenoszone poziomo nawet u eukariontów, zapewniając nowe funkcje biologiczne bez konieczności uprzedniej optymalizacji ewolucyjnej”⁹. Robert Blankenship, biochemik z Washington University w Saint Louis, nie podziela jednak tego entuzjazmu, stwierdzając „myślę, że autorzy przeceniają znaczenie swojej pracy dla zagadnienia ewolucji […] ich wyniki ukazują produkt uzyskany za pomocą sztucznego konstruktu biologicznego, a nie naturalnej ewolucji”¹⁰. Rose Osburn, geobiolog z Northwestern University, zauważa jednak „praca ta jest pierwszym krokiem w kierunku bardziej złożonych podejść do inżynierii sztucznej fotosyntezy”¹¹.

Perspektywa dalszych badań

Alaattin Kaya, biolog z Virginia Commonwealth University, podkreśla, że zaprezentowane badania mogą pozwolić lepiej zrozumieć procesy i szlaki biochemiczne, w których uczestniczą wakuole. Wyraża także ogromne nadzieje dotyczące poszerzenia badań o dodanie rodopsyny do mitochondriów, aby obserwować, do czego może to doprowadzić¹².

Anthony Burnetti, który należy do zespołu naukowców przeprowadzających omawiane badanie, opowiada o śmiałych planach dotyczących poszerzenia programu badawczego „zamierzamy umieścić rodopsynę w mitochondrium, aczkolwiek zdajemy sobie sprawę, że taki proces prawdopodobnie nigdy nie zaszedł w przyrodzie”¹³.

Ze względu na to, że mitochondria są centrami energetycznymi w komórkach, taki krok może poskutkować produkcją ogromnej ilości energii w postaci ATP z wykorzystaniem światła słonecznego. Przypominałoby to fotosyntezę, czyniąc drożdże bardzo podobnymi do roślin i innych organizmów fototroficznych.

Omawiane badanie trudno odnieść do znanych procesów przyrodniczych (mimo że niektóre badania wskazują, iż tempo zmian ewolucyjnych jest coraz większe¹⁴), ponieważ utworzony układ biologiczny jest tworem sztucznym. Niemniej wspomniane odkrycie może mieć liczne zastosowania przemysłowe i medyczne, a także może posłużyć do poszerzania badań podstawowych dotyczących poznawania fizjologii samożywności i cudzożywności.

Zaprezentowane badanie kolejny raz odkrywa, że nawet jeden gen jest w stanie zmienić ważne funkcje biologiczne¹⁵. Pokazuje też, że zmiana niektórych preferencji biologicznych czasami jest łatwiejsza, niż może się wydawać¹⁶. Badanie to skłania także do ponownego docenienia królestwa grzybów, które – jak się okazuje – nie tylko potrafią się komunikować czy stanowią inspirację dla materiałoznawstwa¹⁷, ale również mogą bardzo szybko osiągać zdolność fototrofii.

Przedstawione badanie jest również kolejnym krokiem w kierunku rozwoju bioniki oraz stworzenia pomostu pomiędzy inżynierią a światem przyrody¹⁸, ponieważ sztuczna fotosynteza może okazać się ważna dla innych wynalazków inżynieryjnych, takich jak mikroprocesory oparte na fotosyntezie¹⁹.

Bartosz Bagrowski

Źródło zdjęcia: Pixabay

Ikonka cyklu: Pixabay

Ostatnia aktualizacja strony: 18.6.2023

Literatura: