一碗干酵母。(图片来源: Shutterstock) 试着想象没有酵母的生活。那真是件扫兴的事。这种单细胞真菌是发酵剂，它催生了酸面团、恰巴塔和有嚼劲的比萨饼皮。它们是将糖转化为二氧化碳和乙醇，赋予啤酒和葡萄酒令人陶醉的微生物。它们被用来生产胰岛素。你还可以购买酵母补充剂。酵母在最近一项诺贝尔奖的获得中也发挥了关键作用。事实证明，酵母是救命的。尽管有大约1500个不同的物种，但它是科学界研究得最透彻的真核生物之一，并且它在前沿的遗传学、生物学、农业和医学研究中充当着模型生物。以下是我们欠这种简单生物一份感激之情的五个原因。
缓解我们的痛苦
酿酒酵母是常用于烘焙和酿酒的酵母菌株。(图片来源: Wikimedia Commons) 在过去的十年左右，美国阿片类药物流行病一直在稳步恶化。自1999年以来，处方阿片类药物(例如奥施康定或美沙酮)的死亡人数翻了四倍。与此同时，在美国处方和销售的阿片类药物数量也翻了四倍。2015年，斯坦福大学的合成生物学家Christina Smolke和她的团队使用基因工程改造的烘焙酵母菌株，将葡萄糖转化为阿片类药物前体。她的团队借用了植物、细菌甚至小鼠的23个基因，并将它们的组合插入到三种酵母菌株中。然后，这三种菌株作为一个流水线协同工作，执行一个15步的葡萄糖到止痛药的化学反应。基本上，它们酿造了阿片类药物。根据基因的微调，科学家理论上可以设计出能够产生成瘾性较低、更安全的化合物，但仍能提供所需的缓解。科学家也可能将所有关键基因整合到一个单一菌株中，该菌株可以自行完成反应。尽管如此，要扩大生产规模还有很多工作要做：生产一剂止痛药需要4400加仑的生物工程酵母。
细胞生命的线路图
我们在基础生物学课程中学习细胞的基本组成部分及其功能，但科学家们最近才弄清楚基因如何协同工作以驱动这些功能。今年9月，多伦多大学和明尼苏达大学双子城分校的研究人员发布了迄今为止最全面的细胞遗传网络图。科学家们在酵母中使用基因进行工作，因为酵母的6000个基因中有许多也存在于人类身上——这是为人类基因功能绘制类似地图奠定基础的绝佳场所。基本上，他们创建了一个基因如何协同工作的组织流程图，它们以分层组的形式运行，就像一个大公司的部门一样，以支持细胞生命。
全球酵母基因网络。(图片来源: 多伦多大学) 作为其工作的一部分，该团队发现了“合成致死”基因，这些基因以某种形式的工作共享安排锁定——破坏一个基因，它的同事就会接管。但同时移除两个基因，就会杀死这对基因在细胞中完成的特定功能。该团队通过一丝不苟的排除过程发现了这些关系——他们敲除一个基因，记录它如何影响细胞功能，然后重复。这些信息对于开发更精细的治疗遗传性疾病的方法至关重要；也就是说，一旦科学家们绘制出人类20,000个基因之间的相互作用图。有了这个参考图，医生就可以通过靶向引起健康问题的突变细胞的“备份”来精确打击，从而保护健康细胞。这些都是重要的见解，而这一切都始于酵母。
自噬细胞
如上所述， Yoshinori Ohsumi因描述驱动自噬的机制，或细胞分解和回收细胞物质的方式，而获得了今年的诺贝尔生理学和医学奖。如果细胞不能定期进行清理，废物就会堆积并可能导致疾病。Ohsumi在酵母中发现了关键的自噬基因。他的发现帮助其他科学家识别出哺乳动物中执行类似维护功能的基因。他的工作始于二十年前，为研究自噬基因在人类中的作用奠定了基础。如今，研究人员从细胞和实验动物中移除这些基因来测试它们的功能，揭示了自噬在神经退行性疾病和癌症中的重要作用。
设计染色体
两年前，科学家们首次合成了整个烘焙酵母的染色体——16条染色体中的第3条——这是首次在真核细胞中实现。研究人员此前已经合成了细菌DNA，但真核生物要复杂得多。从头设计一种酵母菌株，而不是从其他生物体中拼接基因或禁用特定基因，可以让研究人员更精确地控制其功能。建造第一条酵母染色体的研究人员展示了他们的工作，并通过微调染色体来操纵酵母的生长速度。改进的控制将更容易让酵母用于合成药物或生产我们从未尝过的啤酒风味。现在，任务是构建所有十六条染色体。
养活世界
酵母在填饱肚子方面也发挥着关键作用。今年9月，研究人员使用改造过的酵母细胞监测植物基因和蛋白质如何响应生长素，生长素是最普遍存在的植物激素。例如，对生长素信号响应异常的植物可能会严重发育迟缓。养活比以往任何时候都多的人口，加上气候变化的压力，需要科学家们了解植物生长最细微的细节，以最大化产量。
酵母工具箱将帮助研究人员解开生长素的密码，这可以帮助科学家优化激素通路并设计出具有有用性状的作物。更根本的是，植物已经依赖于自然存在的酵母菌株。2015年，研究人员从豆科作物下方的土壤中分离出538种酵母菌株，并发现其中许多菌株抑制了病原真菌的生长。在其他几项实验中，将酵母菌株添加到土壤中改善了植物的营养，并在早期生长阶段提高了植物的活力。因此，科学家们正在寻找新的方法来在成本效益高的生物肥料中使用酵母，这并不奇怪。下一步是确定每种酵母菌株具体如何促进植物健康。
