Модифицированные дрожжи питаются светом вместо сахара
Дрожжи любят углеводы. Они живут за счет ферментации сахаров и крахмала, например, в винограде или тесте. А в результате мы едим мягкий хлеб и пьем вино. Исследователи из Технологического института Джорджии создали вид дрожжей, который использует в качестве источника энергии, не сахар, а свет. Такие дрожжи больше похожи на растения. Ведь растения с помощью фотосинтеза умеют напрямую использовать свет для создания углеводов.
Для преобразования углекислого газа в сахара, которые служат топливом для жизни на Земле, растения полагаются на белковый комплекс, включающий хлорофилл. Это комплекс используется для переноса электронов и протонов, которые осуществляют химические реакции и передают энергию. Исследователи многих стран уже много лет работают над воссозданием фотосинтеза, например, чтобы использовать свет в качестве источника энергии для солнечных батарей.
Но для того, чтобы хлорофилл выполнял свою работу, он должен взаимодействовать с множеством других молекул. По-видимому, этот комплекс не оптимален с точки зрения производства энергии и сложился достаточно случайно в ходе эволюции. Нет необходимости воспроизводить его искусственно. Есть более простые и не менее эффективные пути получения энергии из света. И в природе они реализованы, но не у растений, а у бактерий.
Простой фотосинтез
Генетики из Технологического института Джорджии для своей версии фотосинтеза выбрали родопсин — белок, который не требует такой сложной химической поддержки, как хлорофилл. К такому решению пришла и природа: бактерии, морские водоросли и даже вирусы водорослей используют родопсин для преобразования света в полезную энергию.
Исследователи ввели ген родопсина, принадлежащего морской бактерии, в пивные дрожжи (Saccharomyces cerevisiae) в чашке Петри. Ученые надеялись, что родопсин попадет в вакуоль дрожжей — наполненный ферментами мешок, в котором происходит разрушение ненужных белков. Основной источник энергии клетки — молекула аденозинтрифосфат (АТФ) — подпитывает этот процесс, нагнетая протоны в вакуоль, чтобы сделать ее внутреннюю среду кислой — оптимальной для распада. Ученые использовали родопсин кукурузной парши, грибкового патогена. И он успешно проник в вакуоль.
Чтобы проверить работу родопсина, ученые вырастили новый штамм в той же чашке, где были и оригинальные, неизмененные дрожжи, и подвергли оба вида дрожжей воздействию зеленого света, к которому родопсин наиболее чувствителен. Клетки светочувствительного штамма жили меньше, но размножались быстрее на 0,8%. Это «огромное преимущество», — говорят ученые. Фактически родопсин дал светочувствительным дрожжам решающее конкурентное преимущество, и они, в конечном итоге, должны заменить неизмененные клетки так же, как миллионы лет назад фотосинтезирующие организмы потеснили на Земле своих конкурентов.
Экономия на АТФ
У светочувствительных дрожжей свет побуждает родопсин перекачивать больше протонов в вакуоль. Клеткам нет необходимости тратить АТФ на эту задачу. Тем самым больше энергии остается для их роста. Повышение кислотности внутри вакуоли ведет к ее снижению за пределами вакуоли, заставляя ферменты работать быстрее и быстрее изнашиваться. В результате клетки быстрее растут, размножаются и умирают.
Центром производство АТФ в клетках являются митохондрии — своего рода внутриклеточные «электростанции». Ученые задались вопросом: а что будет, если доставить родопсин в митохондрии? Вероятно, они смогут напрямую превращать свет в энергию, и станут просто невероятно энергоэффективными. Перспективы, которые открываются в этом случае, в том числе и для создания «живых» солнечных батарей — захватывающие. Этим ученые и собираются заняться в следующем эксперименте.
Сделан очень важный шаг для создания искусственного фотосинтеза.