清新科学:攸关性命的酵母

时间:2017-04-17 08:43:42
来源:大科技·百科新说
分类:生命科学
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摘要:大部分美味的中式餐点都必须通过酵母菌发酵才能做成。酵母是一种单细胞菌类生物,在它的参与下,死面才能发起来。死面变成了发面,才能做成各种美食,包括面包、蛋糕、汉堡、披萨等。假如没有酵母,生活中会缺少多少美味?

    包子、馒头、油条……大部分美味的中式餐点都必须通过酵母菌发酵才能做成。酵母是一种单细胞菌类生物,在它的参与下,死面才能发起来。死面变成了发面,才能做成各种美食,包括面包、蛋糕、汉堡、披萨等。假如没有酵母,生活中会缺少多少美味?

事实上对人类而言,酵母不仅关乎美味食物,它还是性命攸关的一样东西。我们应该对这种简单的有机生命抱有感激之情。

假如没有酵母,就不会有包子、馒头、披萨等美食.jpg

减轻痛苦

阿片类药物又称类鸦片药物,利用罂粟提取物而制成,可以有效缓解疼痛,但同时这类药物还可以被当做致幻剂,使人产生幻觉和快感,这就造成了阿片类药物的泛滥并致人死亡。在美国,1999年至今,因阿片类处方药物(如羟考酮、美沙酮药物)而死亡的案例已经翻了两番。
这种情况令人担忧。不过,科学家发现,酵母似乎可以替代阿片类药物,这为人类解决止痛药的两难困境提供了解决方案。2015年,美国斯坦福大学科学家使用转基因酵母菌,把葡萄糖转化成了一种流行的阿片类药物。以此为基础,科学家从植物、细菌甚至老鼠身上提取了23种基因,然后将它们拼接组合成三种转基因酵母菌。这三种酵母菌分工协作相互配合,好像流水线生产一样,共进行了15种化学反应,就把葡萄糖转化为一种止痛的药物成分。换句话说,酵母菌“发酵”出了阿片类药物。
基于这样的实验,理论上只要不断探索转基因技术,科学家就可以“设计”出更完美的酵母,使其发酵出理想的止痛药物,既能缓解疼痛,又不会上瘾;科学家也可以把所有的关键基因都融入一类菌种,这样它就能单独进行所有的发酵反应。
不过,科学家还需提高这种酵母菌的发酵效率,使其能发酵出更多的止痛药物,因为目前的情况是,16656升转基因酵母生产的止痛药才只有单剂量大小。

细胞工作流程图

2016年9月,加拿大多伦多大学的科学家发表了一份最全面的细胞基因网络图。这使人们对细胞的基本组成部分和功能构造又增进了许多了解,尤其是酵母在其中的巨大作用。
酵母共有约6000个基因,大多数都能在人体内找到。科学家便以酵母基因为着眼点,开始绘制人类基因功能图谱。结果发现,酵母的作用非常重要,它在各个细胞中的功能,就好比一家大公司的不同部门一样,协调配合从而供给细胞营养。也因此,科学家得以绘制出细胞工作的流程图。流程图显示,在酵母的参与下,细胞的工作层次分明,等级清晰。
在绘制细胞工作流程图的过程中,科学家还发现,对于癌症、遗传病等顽疾,可以利用“合成致死”作用来实现治病的功效。由于基因突变等因素,基因会发生某种缺陷。当出现一种基因缺陷时,细胞不会死亡,但是当两种或更多基因缺陷同时出现时,细胞就会死亡,这叫做“合成致死”。
出现一种基因缺陷,细胞虽不会死,但却导致病变,这也是很多顽疾的成因。科学家试图研制一种药物,使其与病变细胞已有的缺陷基因相匹配。当药物进入人体细胞,就相当于细胞内出现了两种基因缺陷,这就会导致合成致死,从而杀死细胞,达到治病效果。这是一种间接但有效的治疗方式。
未来,一旦科学家绘制出人类20000个基因相互作用的图谱,就会大大有利于治疗顽疾固症。届时,参考这个图谱,医生就可以把引起病变的变异细胞、缺陷基因作为目标,给予精确打击和治疗,同时还能保留其他的健康细胞。这些美好的蓝图,都是从酵母研究开始的。

细胞自噬机制

2016年,日本科学家大隅良典获得了诺贝尔医学和生理学奖,主要就是奖励他在细胞自噬机制方面的研究发现。细胞的自噬机制,就是细胞对代谢物质怎样分解、回收、再利用的过程,这相当于细胞进行自我打扫和清理。如果没有这个机制,细胞里会积累很多废物,并导致许多疾病。
早在20年前,大隅良典已经开始研究人类细胞的自噬机制,最后他终于发现了驱动细胞自噬机制的关键基因就在酵母里面。这一发现也帮助其他科学家发现了哺乳动物体内具有类似功能的基因。今天,科学家在动物身上实验,将这些基因从细胞中移除,测试它们的功能,结果显示自噬机制在癌症和神经系统疾病中也发挥着重要作用。

新设计的酵母

2014年,科学家成功合成了一段酵母染色体。酵母染色体共有16条,虽然只合成了3条,但也是伟大的成就。因为真核(细胞核被核膜包裹)生物的染色体非常复杂,这是人类第一次合成完整的真核细胞染色体,之前科学家只合成过细菌(无核膜包裹)的染色体。
这次合成酵母染色体,科学家是从零开始“设计”的,既没有从其他细胞组织提取粘接,也没有截取限制某些基因。这种合成方法,可以使科学家更精确地了解其功能。当成功合成第一条染色体后,科学家就展示了酵母的工作机制。然后通过调整染色体的设计,科学家就能控制酵母菌的生长速度。
经过不断改进,随着合成技术的提升,这种新设计的酵母菌将会更加出色,合成药物(如止痛药)的效率将得到提升,也能发酵生产出口味更醇香的啤酒,或许是我们从未喝过的呢。
现在,科学家正致力于设计并合成酵母所有的16条染色体。

养活世界

现在为了养活地球上日益增多的人口,也为了缓解全球变暖的压力,科学家希望深入了解植物生长最微小的细节,从而最大限度地提高粮食产量,改善植物对气候的调节作用。
全球生态系统的重要一环就是植物,而在植物的生长过程中,酵母发挥着关键作用。2015年,科学家从豆科农作物的土壤中提取出538种酵母菌,检测后发现这些菌株中的大部分都能抑制病原真菌的生长。还有科学家发现,如果在土壤里添加酵母菌株,能改善植物的营养状况,并且在早期生长阶段,能提升植物的生长活力。科学家正在研究新方法,用酵母来合成生物肥料,这将有明显的成本效益。
而且科学家还在研究,怎样使每一株酵母菌都能促进植物的健康生长。2016年9月,借助转基因酵母,科学家对植物的生长进行了检测,研究重点就是植物基因、蛋白质对生长素起什么反应。因为生长素是一种最普遍的植物激素,如果植物对生长素的反应不正常,则可能意味着这株植物面临严重的生长障碍。
这些研究,必能帮助科学家揭示植物生长素的作用原理,并有助于科学家改善生长素的作用效果,使植物生长代谢更健康,也使农作物更高产。

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