在記錄歷史之前，酵母釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)是人類文明的一部分。它對于制作面包，啤酒和葡萄酒至關(guān)重要，而且無處不在。然而，它并不是世界上超過1500種酵母物種的典型特征。酵母在物理上很難區(qū)分，很容易認(rèn)為它們都是一樣的。然而，代謝，遺傳和生物化學(xué)，酵母是高度多樣化的。它們的細(xì)胞壁厚和對壓力變化的耐受性等特性可能使其他細(xì)胞破裂，這意味著酵母很容易按工業(yè)流程擴大規(guī)模。此外，它們易于生長和修飾，并且有明顯的例外，如白色念珠菌，大多數(shù)與人類疾病無關(guān)。雖然這些能力可用于廣泛的生物技術(shù)應(yīng)用，包括生物燃料生產(chǎn)，但到目前為止，工業(yè)只利用了酵母物種中可用多樣性的一小部分。

為了幫助推廣更廣泛的酵母的使用，并探索在其基因組中編碼的基因和途徑的使用，由美國能源部聯(lián)合基因組研究所(DOE JGI)，美國能源部科學(xué)用戶辦公室的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的團隊勞倫斯伯克利國家實驗室的設(shè)施對29種酵母進行了比較基因組分析，其中16種酵母的基因組被新測序和注釋。在2016年8月15日發(fā)表于美國國家科學(xué)院院刊(PNAS)的研究中，研究小組將各種代謝途徑繪制成酵母生長譜。

“獲得工業(yè)上重要的微生物的完整基因組極大地刺激了該地區(qū)的研究，”威斯康星大學(xué)麥迪遜分校名譽教授湯姆杰弗里斯說。“當(dāng)基因組序列伴隨著基因的高質(zhì)量注釋時，尤其如此，JGI注釋管道是該領(lǐng)域最好的之一。我們可以預(yù)期未來幾年對酵母生物學(xué)的興趣會增加。“

酵母遺傳多樣性比預(yù)期更廣泛

酵母(屬于真菌的“王國”)可以使用各種碳和能源，從纖維素(6碳)和半纖維素(5-碳)糖到甲醇，甘油和乙酸。產(chǎn)品包括乙醇和其他醇類，酯類，有機酸，類胡蘿卜素，脂類和維生素。事實上，維生素復(fù)合物和一些營養(yǎng)補充劑來自酵母。

“我們對這些不同的基因組進行了測序，以擴展在這些基因組中編碼的基因，酶和途徑的目錄，用于生產(chǎn)我們在日常生活中使用的生物燃料和生物基產(chǎn)品，”JGI真菌項目負(fù)責(zé)人兼共同資深作者Igor Grigoriev說。手稿。

對這些鮮為人知的酵母進行測序并表征其代謝途徑，DOE JGI的第一作者Robert Riley補充了有助于填補有助于將各種糖轉(zhuǎn)化為生物燃料的真菌酶的知識空白。例如，眾所周知的酵母釀酒酵母發(fā)酵葡萄糖，但不發(fā)酵植物生物聚合物中發(fā)現(xiàn)的全部糖類。

其中一種新測序的酵母是Pachysolus tannophilus，它可以發(fā)酵木糖，也稱為木糖，因為它來源于半纖維素，它與纖維素一起是木質(zhì)生物質(zhì)的主要成分之一。它僅與經(jīng)過充分研究的木糖發(fā)酵罐有關(guān)，如Scheffersomyces stipitis -由DOE JGI測序的另一種酵母。

這些距離很大。“我們可能會認(rèn)為酵母是一種簡單的單細(xì)胞，彼此相似的生物，但事實上它們的遺傳多樣性就像人類和無脊椎海鞘之間的差異，”萊利說。“我們對這些不同的基因組進行了測序，以發(fā)現(xiàn)并促進下一代生物技術(shù)的主力酵母生產(chǎn)我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫娜剂虾彤a(chǎn)品。我們還發(fā)現(xiàn)了遺傳密碼的變化，如果不加以理解，將會阻礙酵母的生物技術(shù)用途。“

遺傳密碼重新分配

在P. tannophilus中，研究小組發(fā)現(xiàn)三種字母密碼子之一的變化代表了20種常用氨基酸中的一種。從CUG-Ser到CUG-Ala的這種變化僅是核基因組中第二個觀察到的不間斷密碼子重新分配(從一個氨基酸到另一個氨基酸而不是從一個氨基酸到終止密碼子的變化)的情況。“雖然我們不知道為什么以及如何發(fā)生這種情況，”格里戈里耶夫說。“具有CUG密碼子的基因在具有不同遺傳密碼的生物體中表達(dá)時可能不會產(chǎn)生功能性蛋白質(zhì)，因為它們會編碼不同的氨基酸。”

“CUG-Ala重新分配對生物技術(shù)非常重要，因為為了將多種生物技術(shù)中有用的基因從不同的酵母表達(dá)到像釀酒酵母這樣的工作中，我們需要知道酵母的遺傳密碼是否相同，”萊利說。“如果不是這樣，表達(dá)這些新基因?qū)⒉黄鹱饔茫驗榈鞍踪|(zhì)將被錯誤翻譯。”

“隨著可以快速操縱生物體DNA的新基因工具的出現(xiàn)，這些新的基因組酵母序列的出版將為生物工程開辟許多新的平臺，用于生物纖維素降解，脂質(zhì)生產(chǎn)，耐酸酵母，這些酵母使用多種底物并產(chǎn)生許多不同的一級和二級代謝產(chǎn)物，“杰弗里斯說。“酵母科學(xué)界非常感謝JGI的測序和注釋團隊。”