攸關性命的酵母

智七柱

包子、饅頭、油條……大部分美味的中式餐點都必須通過酵母菌發(fā)酵才能做成。酵母是一種單細胞菌類生物，在它的參與下，死面才能發(fā)起來。死面變成了發(fā)面，才能做成各種美食，包括面包、蛋糕、漢堡、披薩等。假如沒有酵母，生活中會缺少多少美味？

事實上對人類而言，酵母不僅關乎美味食物，它還是性命攸關的一樣東西。我們應該對這種簡單的有機生命抱有感激之情。

減輕痛苦

阿片類藥物又稱類鴉片藥物，利用罌粟提取物而制成，可以有效緩解疼痛，但同時這類藥物還可以被當做致幻劑，使人產(chǎn)生幻覺和快感，這就造成了阿片類藥物的泛濫并致人死亡。在美國，1999年至今，因阿片類處方藥物（如羥考酮、美沙酮藥物）而死亡的案例已經(jīng)翻了兩番。

這種情況令人擔憂。不過，科學家發(fā)現(xiàn)，酵母似乎可以替代阿片類藥物，這為人類解決止痛藥的兩難困境提供了解決方案。2015年，美國斯坦福大學科學家使用轉基因酵母菌，把葡萄糖轉化成了一種流行的阿片類藥物。以此為基礎，科學家從植物、細菌甚至老鼠身上提取了23種基因，然后將它們拼接組合成三種轉基因酵母菌。這三種酵母菌分工協(xié)作相互配合，好像流水線生產(chǎn)一樣，共進行了15種化學反應，就把葡萄糖轉化為一種止痛的藥物成分。換句話說，酵母菌“發(fā)酵”出了阿片類藥物。

基于這樣的實驗，理論上只要不斷探索轉基因技術，科學家就可以“設計”出更完美的酵母，使其發(fā)酵出理想的止痛藥物，既能緩解疼痛，又不會上癮；科學家也可以把所有的關鍵基因都融入一類菌種，這樣它就能單獨進行所有的發(fā)酵反應。

不過，科學家還需提高這種酵母菌的發(fā)酵效率，使其能發(fā)酵出更多的止痛藥物，因為目前的情況是，16656升轉基因酵母生產(chǎn)的止痛藥才只有單劑量大小。

細胞工作流程圖

2016年9月，加拿大多倫多大學的科學家發(fā)表了一份最全面的細胞基因網(wǎng)絡圖。這使人們對細胞的基本組成部分和功能構造又增進了許多了解，尤其是酵母在其中的巨大作用。

酵母共有約6000個基因，大多數(shù)都能在人體內(nèi)找到?？茖W家便以酵母基因為著眼點，開始繪制人類基因功能圖譜。結果發(fā)現(xiàn)，酵母的作用非常重要，它在各個細胞中的功能，就好比一家大公司的不同部門一樣，協(xié)調(diào)配合從而供給細胞營養(yǎng)。也因此，科學家得以繪制出細胞工作的流程圖。流程圖顯示，在酵母的參與下，細胞的工作層次分明，等級清晰。

在繪制細胞工作流程圖的過程中，科學家還發(fā)現(xiàn)，對于癌癥、遺傳病等頑疾，可以利用“合成致死”作用來實現(xiàn)治病的功效。由于基因突變等因素，基因會發(fā)生某種缺陷。當出現(xiàn)一種基因缺陷時，細胞不會死亡，但是當兩種或更多基因缺陷同時出現(xiàn)時，細胞就會死亡，這叫做“合成致死”。

出現(xiàn)一種基因缺陷，細胞雖不會死，但卻導致病變，這也是很多頑疾的成因?？茖W家試圖研制一種藥物，使其與病變細胞已有的缺陷基因相匹配。當藥物進入人體細胞，就相當于細胞內(nèi)出現(xiàn)了兩種基因缺陷，這就會導致合成致死，從而殺死細胞，達到治病效果。這是一種間接但有效的治療方式。

未來，一旦科學家繪制出人類20000個基因相互作用的圖譜，就會大大有利于治療頑疾固癥。屆時，參考這個圖譜，醫(yī)生就可以把引起病變的變異細胞、缺陷基因作為目標，給予精確打擊和治療，同時還能保留其他的健康細胞。這些美好的藍圖，都是從酵母研究開始的。

細胞自噬機制

2016年，日本科學家大隅良典獲得了諾貝爾醫(yī)學和生理學獎，主要就是獎勵他在細胞自噬機制方面的研究發(fā)現(xiàn)。細胞的自噬機制，就是細胞對代謝物質(zhì)怎樣分解、回收、再利用的過程，這相當于細胞進行自我打掃和清理。如果沒有這個機制，細胞里會積累很多廢物，并導致許多疾病。

早在20年前，大隅良典已經(jīng)開始研究人類細胞的自噬機制，最后他終于發(fā)現(xiàn)了驅(qū)動細胞自噬機制的關鍵基因就在酵母里面。這一發(fā)現(xiàn)也幫助其他科學家發(fā)現(xiàn)了哺乳動物體內(nèi)具有類似功能的基因。今天，科學家在動物身上實驗，將這些基因從細胞中移除，測試它們的功能，結果顯示自噬機制在癌癥和神經(jīng)系統(tǒng)疾病中也發(fā)揮著重要作用。

新設計的酵母

2014年，科學家成功合成了一段酵母染色體。酵母染色體共有16條，雖然只合成了3條，但也是偉大的成就。因為真核（細胞核被核膜包裹）生物的染色體非常復雜，這是人類第一次合成完整的真核細胞染色體，之前科學家只合成過細菌（無核膜包裹）的染色體。

這次合成酵母染色體，科學家是從零開始“設計”的，既沒有從其他細胞組織提取粘接，也沒有截取限制某些基因。這種合成方法，可以使科學家更精確地了解其功能。當成功合成第一條染色體后，科學家就展示了酵母的工作機制。然后通過調(diào)整染色體的設計，科學家就能控制酵母菌的生長速度。

經(jīng)過不斷改進，隨著合成技術的提升，這種新設計的酵母菌將會更加出色，合成藥物（如止痛藥）的效率將得到提升，也能發(fā)酵生產(chǎn)出口味更醇香的啤酒，或許是我們從未喝過的呢。

現(xiàn)在，科學家正致力于設計并合成酵母所有的16條染色體。

養(yǎng)活世界

現(xiàn)在為了養(yǎng)活地球上日益增多的人口，也為了緩解全球變暖的壓力，科學家希望深入了解植物生長最微小的細節(jié)，從而最大限度地提高糧食產(chǎn)量，改善植物對氣候的調(diào)節(jié)作用。

全球生態(tài)系統(tǒng)的重要一環(huán)就是植物，而在植物的生長過程中，酵母發(fā)揮著關鍵作用。2015年，科學家從豆科農(nóng)作物的土壤中提取出538種酵母菌，檢測后發(fā)現(xiàn)這些菌株中的大部分都能抑制病原真菌的生長。還有科學家發(fā)現(xiàn)，如果在土壤里添加酵母菌株，能改善植物的營養(yǎng)狀況，并且在早期生長階段，能提升植物的生長活力?？茖W家正在研究新方法，用酵母來合成生物肥料，這將有明顯的成本效益。

而且科學家還在研究，怎樣使每一株酵母菌都能促進植物的健康生長。2016年9月，借助轉基因酵母，科學家對植物的生長進行了檢測，研究重點就是植物基因、蛋白質(zhì)對生長素起什么反應。因為生長素是一種最普遍的植物激素，如果植物對生長素的反應不正常，則可能意味著這株植物面臨嚴重的生長障礙。

這些研究，必能幫助科學家揭示植物生長素的作用原理，并有助于科學家改善生長素的作用效果，使植物生長代謝更健康，也使農(nóng)作物更高產(chǎn)。