使用机器人科学家研究酿酒酵母中未表征基因

这对日常生物学为何重要

我们常说掌握了某个生物的完整遗传蓝图，但对许多基因我们仍然不知道它们实际的功能。这项研究在面包酵母这一科学与工业的主力物种中着手解决这一谜题，方法是将自动化的“机器人科学家”与计算模型相结合。研究者展示了这种方法如何揭示一个此前未研究基因在酵母如何转换能量来源中的作用——这种转换影响生长、代谢，并最终决定细胞如何应对变化的环境。

在非常熟悉的生物中发现的隐匿基因

尽管对面包酵母的研究已持续数十年，但约有900个大约6,000个基因中的功能仍不清楚。其中一个被称为 YGR067C 的基因产物带有典型的基因调控蛋白结构域，这提示它可能调控其他基因。早期研究表明，该基因的变化有助于酵母适应以甲醇等非典型碳源生长。因此，作者怀疑 YGR067C 可能参与管理从燃烧糖到燃烧酒精（乙醇）的转换——当葡萄糖耗尽时酵母发生的一个重要代谢“变速”。

让机器人和模型主导实验

为探讨这一想法，团队使用了昵称为 Eve 的自动化实验平台。Eve 在装有少量葡萄糖的微孔培养基中培养野生型酵母及删除了 YGR067C 的突变株，迫使培养物经历经典的两阶段生长模式：先是燃糖阶段，随后是燃乙醇阶段。机器人精确跟踪生长并在选定时间采集样本。这些样本随后在三个层面上被分析：哪些基因处于活跃状态（转录组学）、存在哪些小分子（代谢组学）、以及培养物的生长速度与密度。与此同时，研究者还使用两类酵母代谢的计算模型来预测当该基因功能被破坏时会发生什么，不仅在与呼吸直接相关的通路中，也包括细胞内更广泛的反应网络。

删除该基因会发生什么

数据表明，删除 YGR067C 改变了生长和细胞内化学状态。该突变株在测试条件下生长稍快且达到更高的细胞密度，提示对某些高耗能细胞结构的投入减少。在燃糖阶段，许多参与线粒体关键能量通路的基因——如三羧酸循环、氧化磷酸化和乙酸草酶循环——在突变株中活性较低。与此同时，有迹象表明糖分解本身更为活跃，且维持酸碱度的细胞“质子泵”的两个组分表达更强，这与发酵产生更多酸性副产物相一致。

在燃乙醇阶段的持续影响

一旦培养物转向利用乙醇，两株间基因活性差异大体消失，但代谢物差异变得明显。在突变株中，若干携带和储存细胞还原当量的相关分子（包括不同形式的 NAD）积累到更高水平，一些氨基酸如谷氨酸和天冬氨酸的含量也升高。通路分析显示氨基酸生物合成、维生素代谢和与脂质相关通路的更广泛变化。综合来看，这些发现表明尽管 YGR067C 的基因调控活性在葡萄糖存在时最强，但其缺失的代谢后果延续到利用乙醇的阶段，重塑了细胞在能量产生、构建模块合成与生长之间的平衡。

这对该基因及更大图景的启示

通过将自动化实验、多层次测量与多种建模策略相结合，本研究给出一个清晰、直观的结论，适合非专业读者：YGR067C 有助于在葡萄糖耗尽时启动并微调酵母通过呼吸燃烧乙醇的机制。当该基因缺失时，细胞更多依赖单纯的糖发酵，在线粒体能量通路上的投入减少，并在关键能量载体分子和氨基酸合成上产生连锁变化，同时在测试条件下生长略快。同样重要的是，这项工作展示了一条通用路线图，可以将对神秘基因的模糊假设转化为具体的、可检验的预测——这种方法可以扩展应用于解析酵母及其他生物中许多尚未了解的“未知”基因。

引用: 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

关键词: 酵母遗传学, 二相生长转变, 代谢, 机器人实验室, 基因调控