科學(xué)家看到紅色的化合物可能是工程酵母生產(chǎn)更好的生物燃料的關(guān)鍵。一種名為pulcherrimin的紅色素，由幾種野生酵母菌株自然產(chǎn)生，部分通過相同的生化途徑合成，研究人員希望用它來改善異丁醇的產(chǎn)量，異丁醇是乙醇的一種有前途的生物燃料替代品。本周(2008年10月8日)在美國國家科學(xué)院院刊上發(fā)表的研究報(bào)告中，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校和大湖區(qū)生物能源研究中心的一個(gè)小組描述了酵母用于制造pulcherrimin的遺傳機(jī)制，它結(jié)合鐵，一種必需的營養(yǎng)素。該工作是利用合成途徑大規(guī)模生產(chǎn)異丁醇作為生物燃料的關(guān)鍵步驟。

“與第一代生物燃料相比，例如乙醇，異丁醇具有更高的能量含量，與汽油混合更好，腐蝕更少，并且與現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)更加兼容，”GLBRC研究員Chris Todd Hittinger表示，UW-Madison遺傳學(xué)領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的教授。“盡管如此，從專用能源作物可持續(xù)地生產(chǎn)這種燃料仍然存在相當(dāng)大的障礙。”

在正常條件下，酵母通常不會(huì)產(chǎn)生太多的異丁醇，GLBRC的博士后研究員兼新研究的主要作者David Krause說。最常研究的物種在發(fā)酵過程中產(chǎn)生乙醇。但由于異丁醇合成的早期步驟與用于制備pulcherrimin的步驟相同，因此天然產(chǎn)生色素的酵母 - 通過其獨(dú)特的紅色色調(diào)很容易識(shí)別 - 引起了研究人員的注意。

“我們的想法是，制造pulcherrimin的這些酵母可能會(huì)制成更多的異丁醇，”Krause說。“我們想要使用一些已經(jīng)在這些途徑中添加更多碳的酵母物種，看看我們是否可以將它們轉(zhuǎn)化為異丁醇而不是pulcherrimin。”

然而，一個(gè)挑戰(zhàn)是對(duì)pulcherrimin知之甚少，包括酵母是如何制造的。該分子的有限研究主要集中在其化學(xué)和抗菌性能上。而最常見的實(shí)驗(yàn)室酵母物種釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)根本就沒有。

研究人員使用跨越90種酵母物種的比較基因組學(xué)來鑒定參與pulcherrimin生產(chǎn)的基因。他們發(fā)現(xiàn)了一組四個(gè)基因，他們將其命名為PUL1-4，它們似乎起著互補(bǔ)作用。通過廣泛的遺傳表征，他們確定PUL1和PUL2是制造分子所必需的，而PUL3和PUL4似乎有助于酵母轉(zhuǎn)運(yùn)并調(diào)節(jié)其產(chǎn)生。

這一發(fā)現(xiàn)令人驚訝，部分原因是它標(biāo)志著芽殖酵母中基因簇的第一份報(bào)告，該酵母負(fù)責(zé)產(chǎn)生一種稱為次級(jí)代謝產(chǎn)物的化合物。許多次級(jí)代謝物具有作為抗生素，毒素或信號(hào)分子的有價(jià)值的功能。雖然許多這樣的分子是由絲狀真菌和細(xì)菌產(chǎn)生的，但新研究表明，一些芽殖酵母也會(huì)產(chǎn)生次生代謝產(chǎn)物。

“研究不同的基因組可以帶來發(fā)現(xiàn)和新的生物學(xué)見解......我們能夠通過這些鮮為人知的物種的鏡片了解更多關(guān)于釀酒酵母中的基因，”Chris Hittinger說。

該研究的另一個(gè)令人驚訝的方面是發(fā)現(xiàn)許多不產(chǎn)生pulcherrimin的酵母物種 - 包括釀酒酵母 - 仍然具有工作PUL3和PUL4基因。Krause解釋說，許多酵母譜系的模式表明，保留這些基因可以讓一些物種利用其他物種制造的pulcherrimin。

“可能存在一種向生物體發(fā)展的趨勢(shì)，這種生物體不具備生產(chǎn)分子的能力，但仍能夠使用它，”他說。“因此，他們的鄰居正在制造pulcherrimin，他們能夠使用它而不必承擔(dān)制造它的成本。”

研究結(jié)果還強(qiáng)調(diào)了超越傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室模型的價(jià)值。

“這項(xiàng)工作真正展示了研究多樣化的基因組如何能夠帶來發(fā)現(xiàn)和新的生物學(xué)見解，”Hittinger說。“專注于一個(gè)生物體可以給我們一個(gè)復(fù)雜的生物過程的不完整畫面。同時(shí)，我們能夠通過一些這些鮮為人知的物種的鏡頭，更多地了解釀酒酵母中的基因。”

通過更好地了解pulcherrimin生產(chǎn)中涉及的步驟，研究人員現(xiàn)在準(zhǔn)備嘗試調(diào)整生產(chǎn)機(jī)器并轉(zhuǎn)而生產(chǎn)異丁醇。“這項(xiàng)研究是我們了解pulcherrimin并將其應(yīng)用于生物燃料的起點(diǎn)，”Krause說。