北卡罗来纳大学夏洛特分校生物信息学助理教授阿比盖尔·莱维特·拉贝拉 (Abigail Leavitt LaBella) 与人共同领导了一项雄心勃勃的研究，该研究发表在具有广泛影响力的《科学》杂志上，该研究报告了通过对酵母进行创新人工智能分析得出的有趣发现，酵母是一种小型真菌。生物技术、粮食生产和人类健康的关键贡献者。 这些发现挑战了研究酵母进化的公认框架，并提供了极其丰富的酵母分析数据集，这可能对未来的进化生物学和生物信息学研究产生重大影响。
LaBella 于 2022 年加入北卡罗来纳大学夏洛特分校计算与信息学院生物信息学系，担任北卡罗来纳州研究园区的助理教授和研究员，她与维拉诺瓦大学的共同主要作者 Dana A. Opulente 一起进行了这项研究。 他们与范德比尔特大学和威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员以及来自全球研究机构的同事合作。
这是 Y1000+项目的旗舰研究，Y1000+项目是 LaBella 作为范德比尔特大学博士后研究员加入的一项大规模机构间酵母基因组测序和表型分析工作。
“酵母是单细胞真菌，在我们的日常生活中发挥着至关重要的作用。它们可以制作面包和啤酒，用于生产药物，可以引起感染，并且作为动物的近亲，可以帮助我们了解癌症是如何发生的，”拉贝拉说。 “我们想知道这些小真菌是如何进化到具有如此令人难以置信的一系列功能和特性的。通过对一千多种酵母的表征，我们发现酵母并不符合‘万事通，无主’这句格言。 ’”
这项研究有助于基本了解微生物如何随时间变化，同时生成 900 多个新的酵母基因组序列，其中许多序列可用于农业害虫防治、药物开发和生物燃料生产等生物真菌领域。
LaBella 和她的合著者通过人工智能辅助的机器学习分析 Y1000+项目的数据集（包含 1,154 株古老的单细胞酵母菌亚门），试图回答一个重要问题。 也就是说：为什么有些酵母只吃（或代谢）几种类型的碳来获取能量，而另一些酵母却可以吃十多种碳？
酵母用作能量的碳源总数在生态学术语中被称为其碳生态位宽度。 人类的碳生态位宽度也各不相同，例如，有些人可以代谢乳糖，而另一些人则不能。
进化生物学研究支持了关于生态位宽度的两个关键的总体范式，该现象解释了为什么一些酵母生物体（“专家”）进化为只能代谢少量碳形式作为燃料，而其他酵母生物体（“通才”）进化为能够代谢碳形式作为燃料。能够消耗多种碳形式并在其中生长。 其中一个范式表明，与成为专家相比，成为通才需要进行某些权衡。 值得注意的是，在后一种情况下，处理各种碳形式的能力是以牺牲酵母有效处理和在每种碳形式上生长的能力为代价的。 第二个是，这些酵母专家和通才进化以适应任一特征，这是由于它们各自基因组的不同内在特征和基于酵母生物体存在的不同环境的不同外在影响的综合影响。
拉贝拉和她的同事发现了充足的证据支持这一观点，即酵母专家与通才之间存在可识别的、内在的遗传差异，特别是通才往往比专家拥有更多的基因总数。 例如，他们发现通才更有可能合成肉碱，这是一种参与能量产生的分子，通常作为运动补充剂出售。
但出乎意料的是，他们的研究发现非常有限的证据表明酵母处理多种形式的碳的能力的预期进化权衡是以牺牲其有效处理和相应生长的能力为代价的，反之亦然。
“我们发现，可以在大量碳基质上生长的酵母实际上是非常好的种植者，”拉贝拉说。 “这对我们来说是一个非常令人惊讶的发现。”
虽然这项具体实验的结果以及分析中使用的创新机器学习机制可能对生物信息学、生态学、代谢和进化生物学产生重大影响，但这项研究的发表意味着 Y1000+项目的大量酵母数据现已可用供世界各地的学者以此为起点来扩大他们自己的酵母研究。
“这个数据集将成为未来的巨大资源，”拉贝拉说。
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