新基因如何出现?一个多世纪以来，研究人员一直认为，在细胞意外地复制其现有基因之后，新的基因功能会不时发展。根据这一理论，“额外”基因拷贝可以随意进化。通过这种方式，它可以获得新的功能，而原始基因确保保留原始功能。到目前为止，没有直接观察到支持这一理论的观点。然而，现在，代尔夫特理工大学的研究人员首次在酵母细胞中观察到了这种进化机制。

代尔夫特理工大学的研究人员正在调查酵母物种Saccharomyces pastorianus，该酵母用于世界各地酿酒商生产啤酒。Saccharomyces pastorianus的一个特征是它可以“吃”复杂的糖麦芽三糖。2011年，确定了这种酵母物种的祖先之一，结果发现，它还没有开发出消费这种复杂糖类的能力。因此，进化必须赋予代谢麦芽三糖的能力。这种进化的变化使得啤酒的酿造成为可能。

新功能

基因负责细胞可以做的一切。为了获得新的功能，需要新的基因。但这些新基因是如何产生的呢?解释新基因发生的主要理论是基于一种称为基因复制的机制。在这个过程中，细胞意外地复制了给定的基因。然后细胞的DNA包含该基因的两个拷贝。虽然原始功能可以由其中一个副本保留，但另一个副本可以根据不同的进化路径自由变化。如果在基因拷贝中发生足够的突变，它可以发展出一种全新的功能。如果该新功能对生物体有益，则自然选择很可能确保突变基因继续存在。

这种进化机制已在科学文献中广泛讨论。通过观察具有不同功能的相关基因，科学家提出了关于这些基因功能如何出现的理论。“通过从密切相关的基因向后推理，我们可以合理地确定基因复制和突变的机制可以产生新的基因。但是，没有找到任何直接的证据，”研究员Arthur Gorter de Vries解释说。

紫外线

出于本实验的目的，研究人员使用了2011年发现的物种的酵母细胞，这些酵母细胞无法代谢大的糖分子麦芽三糖。他们用紫外线照射了数百万个酵母细胞，导致DNA损伤。这意味着细胞必须修复比通常情况下更多的遗传物质，这增加了随机突变的机会。研究人员然后用麦芽汁喂养微生物，麦芽汁是酿酒师用来制啤酒的富含糖的基质。他们给酵母细胞只有有限量的麦芽汁，迫使他们争夺可用的少量食物。

酵母细胞迅速吃掉所有的单糖。剩下的只是麦芽三糖，因此酵母细胞开发出吃这种大而复杂的糖分子的能力变得越来越有利。而这正是发生的事情。“我们突然发现麦芽三糖含量下降了，”研究员Nick Brouwers说。因此，至少有一种酵母细胞已经找到了消耗麦芽三糖的方法。那个细胞的后代突然有大量的食物可供使用，因此它们迅速胜过所有其他酵母细胞。

杂合基因

研究人员分离了一些突变细胞并分析了它们的基因组，以找出发生了哪些变化。“通常情况下，我们发现只发生了少量变化，”Gorter de Vries解释道。“然而，在这种情况下，一种新基因已经进化出来。它含有来自其他三个基因的大部分DNA。”这些其他基因属于“转运基因”家族，它负责将环境中存在的糖转运到细胞中。与其他转运基因一样，杂合基因产生一种蛋白质。该蛋白质嵌入细胞膜，形成一条隧道，糖分子通过这条隧道进入细胞。

DNA序列分析显示，新基因是由一个重复转运蛋白基因的突变产生的。这个结果是前面提到的理论的实验验证，假设如果细胞意外地复制了现有基因，新基因可以进化。“对我们来说，真正令人惊讶的是杂交基因的产生速度有多快，”Gorter de Vries说。

新进化的酵母细胞已经过测试，确实可用于酿造啤酒。使用这种酵母酿造的啤酒结合了野生酵母的异国风味和啤酒的新鲜味道。Nick Brouwers指出“我们的新酵母确实在实验室中进化，但没有涉及遗传修饰。这样做的好处是工业可以毫无问题地使用我们的酵母。”