攸關(guān)性命的酵母

智七柱

包子、饅頭、油條……大部分美味的中式餐點(diǎn)都必須通過酵母菌發(fā)酵才能做成。酵母是一種單細(xì)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(shí)上對人類而言，酵母不僅關(guān)乎美味食物，它還是性命攸關(guān)的一樣?xùn)|西。我們應(yīng)該對這種簡單的有機(jī)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(dāng)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(dān)憂。不過，科學(xué)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(xué)科學(xué)家使用轉(zhuǎn)基因酵母菌，把葡萄糖轉(zhuǎn)化成了一種流行的阿片類藥物。以此為基礎(chǔ)，科學(xué)家從植物、細(xì)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(zhuǎn)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(jìn)行了15種化學(xué)反應(yīng)，就把葡萄糖轉(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)，理論上只要不斷探索轉(zhuǎn)基因技術(shù)，科學(xué)家就可以“設(shè)計(jì)”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(xué)家也可以把所有的關(guān)鍵基因都融入一類菌種，這樣它就能單獨(dú)進(jìn)行所有的發(fā)酵反應(yīng)。

不過，科學(xué)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?yàn)槟壳暗那闆r是，16656升轉(zhuǎn)基因酵母生產(chǎn)的止痛藥才只有單劑量大小。

細(xì)胞工作流程圖

2016年9月，加拿大多倫多大學(xué)的科學(xué)家發(fā)表了一份最全面的細(xì)胞基因網(wǎng)絡(luò)圖。這使人們對細(xì)胞的基本組成部分和功能構(gòu)造又增進(jìn)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。科學(xué)家便以酵母基因?yàn)橹埸c(diǎn)，開始繪制人類基因功能圖譜。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，酵母的作用非常重要，它在各個細(xì)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(xì)胞營養(yǎng)。也因此，科學(xué)家得以繪制出細(xì)胞工作的流程圖。流程圖顯示，在酵母的參與下，細(xì)胞的工作層次分明，等級清晰。

在繪制細(xì)胞工作流程圖的過程中，科學(xué)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(shí)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(dāng)出現(xiàn)一種基因缺陷時，細(xì)胞不會死亡，但是當(dāng)兩種或更多基因缺陷同時出現(xiàn)時，細(xì)胞就會死亡，這叫做“合成致死”。

出現(xiàn)一種基因缺陷，細(xì)胞雖不會死，但卻導(dǎo)致病變，這也是很多頑疾的成因。科學(xué)家試圖研制一種藥物，使其與病變細(xì)胞已有的缺陷基因相匹配。當(dāng)藥物進(jìn)入人體細(xì)胞，就相當(dāng)于細(xì)胞內(nèi)出現(xiàn)了兩種基因缺陷，這就會導(dǎo)致合成致死，從而殺死細(xì)胞，達(dá)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(xué)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(xì)胞、缺陷基因作為目標(biāo)，給予精確打擊和治療，同時還能保留其他的健康細(xì)胞。這些美好的藍(lán)圖，都是從酵母研究開始的。

細(xì)胞自噬機(jī)制

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

早在20年前，大隅良典已經(jīng)開始研究人類細(xì)胞的自噬機(jī)制，最后他終于發(fā)現(xiàn)了驅(qū)動細(xì)胞自噬機(jī)制的關(guān)鍵基因就在酵母里面。這一發(fā)現(xiàn)也幫助其他科學(xué)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(xué)家在動物身上實(shí)驗(yàn)，將這些基因從細(xì)胞中移除，測試它們的功能，結(jié)果顯示自噬機(jī)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(shè)計(jì)的酵母

2014年，科學(xué)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?yàn)檎婧耍?xì)胞核被核膜包裹）生物的染色體非常復(fù)雜，這是人類第一次合成完整的真核細(xì)胞染色體，之前科學(xué)家只合成過細(xì)菌（無核膜包裹）的染色體。

這次合成酵母染色體，科學(xué)家是從零開始“設(shè)計(jì)”的，既沒有從其他細(xì)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(xué)家更精確地了解其功能。當(dāng)成功合成第一條染色體后，科學(xué)家就展示了酵母的工作機(jī)制。然后通過調(diào)整染色體的設(shè)計(jì)，科學(xué)家就能控制酵母菌的生長速度。

經(jīng)過不斷改進(jìn)，隨著合成技術(shù)的提升，這種新設(shè)計(jì)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(xué)家正致力于設(shè)計(jì)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(xué)家希望深入了解植物生長最微小的細(xì)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(guān)鍵作用。2015年，科學(xué)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(xué)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。科學(xué)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(xué)家還在研究，怎樣使每一株酵母菌都能促進(jìn)植物的健康生長。2016年9月，借助轉(zhuǎn)基因酵母，科學(xué)家對植物的生長進(jìn)行了檢測，研究重點(diǎn)就是植物基因、蛋白質(zhì)對生長素起什么反應(yīng)。因?yàn)樯L素是一種最普遍的植物激素，如果植物對生長素的反應(yīng)不正常，則可能意味著這株植物面臨嚴(yán)重的生長障礙。

這些研究，必能幫助科學(xué)家揭示植物生長素的作用原理，并有助于科學(xué)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)。