酵母研究中的惊人进化模式

北卡罗来纳大学夏洛特分校的生物信息学助理教授阿比盖尔·利维特·拉贝拉（Abigail Leavitt LaBella）与维拉诺瓦大学的达纳·A·奥普伦特（Dana A. Opulente）合作领导了一项雄心勃勃的研究，该研究发表在备受影响力的期刊《科学》上，通过创新的人工智能分析报告了关于酵母的有趣发现，这些小型真菌对生物技术、食品生产和人类健康都至关重要。这些发现挑战了酵母进化研究中被接受的框架，并提供了一个非常丰富的酵母分析数据集，这可能对未来的进化生物学和生物信息学研究产生重大影响。

拉贝拉于2022年加入北卡罗来纳大学夏洛特分校计算机与信息学院生物信息学系，并在北卡罗来纳州研究园区担任助理教授和研究员。她与维拉诺瓦大学的合著者达纳·A·奥普伦特进行了这项研究。他们与范德堡大学和威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员以及来自全球各地的研究机构的同事合作进行了此次研究。

这是Y1000+项目的旗舰研究，该项目是一个庞大的跨机构酵母基因组测序和表型研究，拉贝拉曾在范德堡大学做博士后研究员时加入了该项目。

拉贝拉说：“酵母是单细胞真菌，在我们的日常生活中扮演着至关重要的角色。它们可以制作面包和啤酒，用于药物生产，可以引起感染，并且作为动物的近亲，帮助我们了解癌症是如何发作的。”她表示：“我们想知道这些小真菌是如何进化成具有如此广泛功能和特征的。通过对1000多种酵母的特征进行描述，我们发现酵母并不符合‘样样精通，样样稀’的说法。”

这项研究有助于基本了解微生物随时间变化的方式，并为酵母生成了900多个新的基因组序列，其中许多可以在农业害虫控制、药物开发和生物燃料生产等生物真菌领域得到应用。

拉贝拉和她的合著者们通过对Y1000+项目数据集进行了人工智能辅助的机器学习分析，该数据集包括1154种古老的单细胞酵母Saccaromycotina，试图回答一个重要问题。即：为什么有些酵母只能代谢少数类型的碳作为能源，而其他可以代谢超过十几种？

酵母用于能量的碳源种类总数在生态学术语中称为其碳营养范围。人类在其碳营养范围上也存在差异，例如，有些人可以代谢乳糖，而其他人则不能。

进化生物学研究支持了关于营养范围的两个主要范式，这种现象解释了为什么一些酵母生物（“专家”）进化成只能代谢少量碳形式作为燃料，而其他生物（“通才”）则进化成能在广泛的碳形式上生长。其中一个范式说明了成为通才相比成为专家会带来某些权衡。值得注意的是，在后一种情况下，处理多种碳形式的能力是以酵母处理和高效生长的每种碳形式的能力为代价的。另一个范式是，这些酵母专家和通才之间的进化是由其各自基因组的不同内在特征和不同外部环境的共同影响所决定的。

拉贝拉和她的同事们发现了大量支持一种观点的证据，即酵母专家与通才之间存在可识别的内在遗传差异，特别是通才往往具有比专家更多的基因总数。例如，他们发现通才更有可能合成肉碱，这是一种参与能量生产的分子，通常作为运动补充剂出售。

但出乎意料的是，他们的研究发现，酵母的能够处理多种碳形式的能力并不是以其高效处理和相应生长的能力为代价，反之亦然。

拉贝拉说：“我们发现，能够在许多碳底物上生长的酵母实际上是非常优秀的生长者。这对我们来说是一个非常令人惊讶的发现。”

尽管这项特定实验的发现以及其分析中所使用的创新机器学习机制可能对生物信息学、生态学、代谢学和进化生物学产生重大影响，但这项研究的发表意味着Y1000+项目的大量酵母数据现在可以供全球学者使用，作为扩展其自己酵母研究的起点。

拉贝拉表示：“这份数据集将成为未来的巨大资源。”