「佛系」酵母的大智慧

葡萄糖是能效最高的單糖，微生物對它「情有獨鍾」。在葡萄糖存在的情況下，微生物就不愛「吃」其他的糖類，而優先代謝葡萄糖。這種微生物特有的本領叫作「葡萄糖抑制」。

近期，中科院微生物所真菌學國家重點實驗室研究員白逢彥領導的團隊在研究釀酒酵母時，發現有一種馬奶酒酵母放棄了這項「絕活」。他們發現並證實這種酵母出現了「返祖」現象，它獲得生存競爭優勢的策略也不同尋常。該成果日前在線發表於《現代生物學》。

一種不走尋常路的酵母

距今1.5億~1.25億年，由於有花植物的大量出現，微生物開始通過有氧發酵快速高效地利用前者花蜜和果實中提供的大量糖類。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的生存優勢。

在這種情況下，葡萄糖抑制機制應運而生。很多微生物寧肯抑制對其他糖類的代謝能力，也要「擠破頭」地爭奪葡萄糖。

然而，白逢彥等人在研究馬奶酒酵母時，意外地發現這種酵母很獨特。在葡萄糖和半乳糖同時存在的培養基中，與其他菌株優先利用葡萄糖，等葡萄糖完全耗盡後，經過一段時間的延滯期再開始利用半乳糖的現象相反，馬奶酒菌株在生長起始期就優先利用半乳糖，然後同時利用這兩種糖進行生長。

「這一奇怪現象讓我們下意識地思考，是不是半乳糖相對於葡萄糖有什麼優勢呢？」文章第一作者、中科院微生物所助理研究員段守富說。

但很明顯，這是一個死胡同，因為葡萄糖是公認能效最高的單糖。憑藉對微生物糖酵解以及酵母菌進化的豐富了解，白逢彥認為應該在這種酵母體內找原因。他們隨即將研究方向集中在馬奶酒酵母體內半乳糖代謝（GAL）基因網路的變化上。

自廢「武功」

GAL網路是一個研究基因調控的經典網路，包括半乳糖轉運蛋白、編碼半乳糖酵解酶的結構基因、上述結構基因的激活因子和抑制因子這一對「開關」，以及解除抑制因子作用的誘導因子。

白逢彥告訴記者，在經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網路才通過誘導因子激活，開始對半乳糖的代謝過程。

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

由於抑制因子功能喪失，作用於該抑制因子的誘導因子也就失去了意義，GAL網路成為一個無須誘導的組成型表達網路。在這種網路中，馬奶酒菌株無須經過一個延誤時機的誘導期，就可以即時利用乳糖被降解後生成的半乳糖。

同時，馬奶酒譜系菌株通過基因漸滲將其所有的結構基因置換為早期版本，供體是位於釀酒酵母屬之外的一個已滅絕或尚未被發現的古老物種。

在馬奶酒菌株中，「返祖」後的半乳糖轉運蛋白基因擴增，而主要的葡萄糖轉運蛋白基因卻被刪除或失去表達能力，其功能被半乳糖轉運蛋白所替代。

這一系列變化使馬奶酒酵母的GAL網路完全解除了葡萄糖抑制效應，並通過「返祖」拋棄了漫長進化養成的「專業分工」，看來是鐵了心要自廢「武功」了。

然而，馬奶酒酵母真的是「佛系」的嗎？

「另闢蹊徑」的競爭策略

為了回答這個問題，白逢彥等人培育出含有不同GAL基因的人工釀酒酵母菌株，反覆實驗不同糖類環境下各種酵母對糖分的利用效率，研究並繪製生長曲線，終於理解了馬奶酒酵母的 「另類」競爭策略。

原來，在自然發酵乳製品中，釀酒酵母並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後產生的葡萄糖和半乳糖而生存。

「在大多數微生物都存在葡萄糖抑制效應的情況下，都會優先爭搶葡萄糖，導致對葡萄糖的過度競爭，而半乳糖被暫時閑置。」白逢彥告訴記者，「如果反過來，避開對葡萄糖的競爭，優先利用半乳糖，建立群體優勢後再參與對葡萄糖的爭奪，在發酵乳環境中無疑是一個具有巨大優勢的生存策略。」

正是遵循了這種策略，馬奶酒酵母選擇避開葡萄糖抑制網路，以「時刻準備著」的態度大大提高了對半乳糖的利用效率。

同時，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運蛋白達到在快速優先利用半乳糖的情況下同時利用葡萄糖的目的。

白逢彥認為，他們的發現可為同時利用不同碳源的酵母細胞工廠或工程菌的構建提供新的策略，通過解除葡萄糖抑制，提高發酵效率。

「小小的酵母給了我們如此多的啟發和靈感。我們在感嘆它們的生存智慧之餘，由衷地期盼它們能在工業領域早日迸發出能量，迎來無限前景。」白逢彥說。

來源：《中國科學報》

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