Исследование неохарактеризованных генов Saccharomyces cerevisiae с помощью роботизированных учёных

Почему это важно для прикладной биологии

Мы часто говорим о наличии полного генетического плана организма, но для многих генов мы до сих пор не знаем их реальной функции. В этом исследовании авторы берутся за эту загадку в пекарских дрожжах — одном из главных рабочих организмов науки и промышленности — сочетая автоматизированных «роботизированных учёных» с компьютерными моделями. Учёные показывают, как такой подход позволяет обнаружить роль ранее не изученного гена, вовлечённого в переключение источника энергии у дрожжей — изменение, которое влияет на рост, метаболизм и, в конечном счёте, на то, как клетки приспосабливаются к меняющимся условиям.

Скрытый ген в хорошо знакомом организме

Пекарские дрожжи изучаются десятилетиями, но почти 900 из примерно 6000 их генов остаются слабо понятными. Один из таких генов, называемый YGR067C, кодирует белок со структурным мотивом, характерным для регуляторов генов, что даёт повод предполагать, что он может контролировать другие гены. Ранее было показано, что изменения в этом гене помогали дрожжам адаптироваться к росту на нетипичных источниках пищи, таких как метанол. Авторы потому заподозрили, что YGR067C может участвовать в управлении переключением от сжигания сахара к сжиганию этанола — крупной метаболической «передаче», которую дрожжи выполняют, когда заканчивается глюкоза.

Когда эксперименты ведут роботы и модели

Чтобы проверить эту идею, команда использовала автоматизированную лабораторную платформу с прозвищем Eve. Eve выращивала нормальные дрожжи и штамм с удалённым YGR067C в крошечных лунках с питательной средой, содержащей лишь небольшое количество глюкозы, что заставляло культуры пройти классический двухфазный паттерн роста: сначала фаза сжигания сахара, затем фаза сжигания этанола. Робот тщательно отслеживал рост и собирал образцы в выбранные моменты. Эти образцы затем анализировали на трёх уровнях: какие гены активны (транскриптомика), какие малые молекулы присутствуют (метаболомика) и как быстро и плотно растут культуры. Параллельно исследователи использовали два типа компьютерных моделей метаболизма дрожжей, чтобы предсказать, что должно происходить при нарушении функции гена, не только в путях, напрямую связанных с дыханием, но и в более широкой сети реакций внутри клетки.

Что происходит при удалении гена

Данные показали, что удаление YGR067C меняет и рост, и внутреннюю химию клетки. Мутантный штамм рос немного быстрее и достигал более высокой клеточной плотности, чем нормальный штамм в исследованных условиях, что указывает на меньшее вложение энергии в некоторые дорогостоящие клеточные механизмы. В фазе сжигания сахара многие гены, участвующие в ключевых энергетических путях внутри митохондрий — такие как цикл лимонной кислоты, окислительное фосфорилирование и глиоксилатный цикл — были менее активны у мутанта. Одновременно появились признаки того, что сам разбор сахаров был более активным, а два компонента клеточной «протонной помпы», помогающей поддерживать кислотность, были сильнее экспрессированы, что согласуется с более высоким образованием кислых побочных продуктов ферментации.

Отголоски в фазе сжигания алкоголя

После того как культуры переключились на использование этанола, различия в активности генов между двумя штаммами в значительной мере сгладились, но различия в метаболитах стали выраженными. У мутанта несколько взаимосвязанных молекул, переносящих и хранящих восстановительную мощность клетки, включая разные формы NAD, накопились в больших количествах, как и некоторые аминокислоты, такие как глутамат и аспарагин. Анализы путей указали на более широкие изменения в синтезе аминокислот, метаболизме витаминов и путях, связанных с липидами. В совокупности эти результаты предполагают, что хотя регуляторная активность YGR067C наиболее сильна при наличии глюкозы, метаболические последствия его отсутствия продолжаются и в фазе использования этанола, перестраивая баланс между производством энергии, синтезом строительных блоков и ростом.

Что это говорит о гене и о более широкой картине

Сочетая автоматизированные эксперименты с многоуровневыми измерениями и несколькими моделируемыми подходами, исследование формулирует ясный, интуитивный вывод для неспециалистов: YGR067C помогает включать и тонко настраивать механизмы дрожжей для сжигания этанола через дыхание по мере исчерпания сахара. Когда ген отсутствует, клетки сильнее опираются на простую ферментацию сахара, меньше инвестируют в митохондриальные энергетические пути и проявляют последовательные изменения в ключевых молекулах-носителях энергии и синтезе аминокислот, при этом в исследованных условиях они растут несколько быстрее. Не менее важно то, что работа демонстрирует общий путь превращения расплывчатых гипотез о загадочных генах в конкретные, проверяемые предсказания — подход, который можно масштабировать для расшифровки многих оставшихся «неизвестных» генов у дрожжей и других организмов.

Цитирование: Bjurström, E.Y., Gower, A.H., Lasin, P. et al. Investigating uncharacterised genes in Saccharomyces cerevisiae using robot scientists. Sci Rep 16, 10999 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46236-z

Ключевые слова: генетика дрожжей, диактический сдвиг, метаболизм, роботизированная лаборатория, регуляция генов