酵母的大智慧

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佛系” 酵母的大智慧
来源： 中国科学报 / 作者： 2019-04-01? 0 ? 0
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葡萄糖是能效最高的单糖，微生物对它 “情有独钟”。在葡萄糖存在的情况下，微生物就不爱“吃” 其他的糖类，而优先代谢葡萄糖。这种微生物特有的本领叫作“葡萄糖抑制”。

近期，中科院微生物所真菌学国家重点实验室研究员白逢彦领导的团队在研究酿酒酵母时，发现有一种马奶酒酵母放弃了这项 “绝活”。他们发现并证实这种酵母出现了“返祖” 现象，它获得生存竞争优势的策略也不同寻常。该成果日前在线发表于《现代生物学》。

一种不走寻常路的酵母

距今 1.5 亿~ 1.25 亿年，由于有花植物的大量出现，微生物开始通过有氧发酵快速高效地利用前者花蜜和果实中提供的大量糖类。在众多糖类中，葡萄糖能效最高，因此哪种微生物能更高效地吸收葡萄糖，通常它就具备了更强的生存优势。

在这种情况下，葡萄糖抑制机制应运而生。很多微生物宁肯抑制对其他糖类的代谢能力，也要 “挤破头” 地争夺葡萄糖。

然而，白逢彦等人在研究马奶酒酵母时，意外地发现这种酵母很独特。在葡萄糖和半乳糖同时存在的培养基中，与其他菌株优先利用葡萄糖，等葡萄糖完全耗尽后，经过一段时间的延滞期再开始利用半乳糖的现象相反，马奶酒菌株在生长起始期就优先利用半乳糖，然后同时利用这两种糖进行生长。

“这一奇怪现象让我们下意识地思考，是不是半乳糖相对于葡萄糖有什么优势呢？” 文章第一作者、中科院微生物所助理研究员段守富说。

但很明显，这是一个死胡同，因为葡萄糖是公认能效最高的单糖。凭借对微生物糖酵解以及酵母菌进化的丰富了解，白逢彦认为应该在这种酵母体内找原因。他们随即将研究方向集中在马奶酒酵母体内半乳糖代谢（GAL）基因网络的变化上。

自废 “武功”

GAL 网络是一个研究基因调控的经典网络，包括半乳糖转运蛋白、编码半乳糖酵解酶的结构基因、上述结构基因的激活因子和抑制因子这一对 “开关”，以及解除抑制因子作用的诱导因子。

白逢彦告诉《中国科学报》，在经典的葡萄糖抑制通路中，只有在葡萄糖被耗尽而半乳糖存在的情况下，GAL 网络才通过诱导因子激活，开始对半乳糖的代谢过程。

段守富等发现，马奶酒谱系菌株在结构基因的上游抑制序列发生了突变，从而减弱了中心抑制因子的作用。抑制因子本身也发生突变，失去了抑制功能。

由于抑制因子功能丧失，作用于该抑制因子的诱导因子也就失去了意义，GAL 网络成为一个无须诱导的组成型表达网络。在这种网络中，马奶酒菌株无须经过一个延误时机的诱导期，就可以即时利用乳糖被降解后生成的半乳糖。

同时，马奶酒谱系菌株通过基因渐渗将其所有的结构基因置换为早期版本，供体是位于酿酒酵母属之外的一个已灭绝或尚未被发现的古老物种。

在马奶酒菌株中，“返祖” 后的半乳糖转运蛋白基因扩增，而主要的葡萄糖转运蛋白基因却被删除或失去表达能力，其功能被半乳糖转运蛋白所替代。

这一系列变化使马奶酒酵母的 GAL 网络完全解除了葡萄糖抑制效应，并通过 “返祖” 抛弃了漫长进化养成的 “专业分工”，看来是铁了心要自废“武功” 了。

然而，马奶酒酵母真的是 “佛系” 的吗？

“另辟蹊径” 的竞争策略

为了回答这个问题，白逢彦等人培育出含有不同 GAL 基因的人工酿酒酵母菌株，反复实验不同糖类环境下各种酵母对糖分的利用效率，研究并绘制生长曲线，终于理解了马奶酒酵母的 “另类” 竞争策略。

原来，在自然发酵乳制品中，酿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将乳糖降解后产生的葡萄糖和半乳糖而生存。

“在大多数微生物都存在葡萄糖抑制效应的情况下，都会优先争抢葡萄糖，导致对葡萄糖的过度竞争，而半乳糖被暂时闲置。” 白逢彦告诉《中国科学报》，“如果反过来，避开对葡萄糖的竞争，优先利用半乳糖，建立群体优势后再参与对葡萄糖的争夺，在发酵乳环境中无疑是一个具有巨大优势的生存策略。”

正是遵循了这种策略，马奶酒酵母选择避开葡萄糖抑制网络，以 “时刻准备着” 的态度大大提高了对半乳糖的利用效率。

同时，马奶酒酵母也没有为了半乳糖而抛弃利用葡萄糖，而是通过获取早期版本的半乳糖转运蛋白达到在快速优先利用半乳糖的情况下同时利用葡萄糖的目的。

白逢彦认为，他们的发现可为同时利用不同碳源的酵母细胞工厂或工程菌的构建提供新的策略，通过解除葡萄糖抑制，提高发酵效率。

“小小的酵母给了我们如此多的启发和灵感。我们在感叹它们的生存智慧之余，由衷地期盼它们能在工业领域早日迸发出能量，迎来无限前景。” 白逢彦说。