Quando si tratta di dieta, le cellule di lievito sembrano evitare rischi
Rispondendo agli stimoli ambientali, le reti molecolari hanno evoluto funzioni che si attivano automaticamente. I ritmi circadiani, per esempio, sono codificati in circuiti di regolazione e coordinati da segnali come la luce. Inoltre, la velocità e l’uniformità con cui queste semplici reti trasmettono i segnali possono anche essere ottimizzate, il che suggerisce una forma di adattabilità intelligente. Poiché questo comportamento cosiddetto stocastico o rumoroso è meno prevedibile, può sembrare scoordinato e casuale. «Potrebbe trattarsi di un meccanismo di salvaguardia con cui gli organismi si adattano a situazioni in cui vari eventi, come la disponibilità di cibo, possono verificarsi o meno», spiega il coordinatore del progetto YEASTMEMORY Kevin Verstrepen, del Centro di Microbiologia del VIB-KU Leuven, l’organizzazione che ospita il progetto. Il progetto YEASTMEMORY, sostenuto dall’UE, voleva saperne di più sulla tempistica della risposta di un organismo agli stimoli e su quali comportamenti si dimostrano vantaggiosi. Studiando il modo in cui le cellule di lievito rispondevano alla disponibilità di glucosio, YEASTMEMORY ha scoperto che le risposte variavano fra cellule identiche sotto il profilo genetico all’interno della stessa popolazione ed erano influenzate da esperienze passate. I ricercatori hanno individuato la componente genetica probabilmente responsabile di tale comportamento grazie al loro nuovo protocollo per il sequenziamento di singole cellule nel lievito.
La base genetica dei diversi comportamenti di risposta
«Questo progetto è nato da una conversazione di 15 anni fa con un produttore di birra; non tanto per una birra, ma sulla birra», afferma Verstrepen. La birra è fatta esponendo il maltosio, uno zucchero dell’orzo, alle cellule di lievito in fermentazione. A volte i birrai coltivano previamente il loro lievito in laboratorio usando il glucosio e questo birraio voleva sapere perché le sue cellule di lievito non fermentavano il maltosio in modo più efficiente dopo diversi giorni di coltivazione con il glucosio. «Tenendo conto della velocità di divisione delle cellule di lievito, ho visto che le cellule appena nate si comportavano in modo diverso, a seconda della dieta delle generazioni precedenti, e che questo comportamento variava molto fra loro. Responsabile di ciò sembrava essere un fenomeno epigenetico», osserva Verstrepen. Avanti di 15 anni fino a YEASTMEMORY. Il gruppo di ricerca ha scoperto che, dopo essere cresciute nel glucosio per almeno 10 ore, la maggior parte delle cellule di lievito aveva poi bisogno di almeno 6 ore per passare a nutrirsi di maltosio, alcune cellule geneticamente identiche impiegavano oltre 20 ore e altre non effettuavano mai questo passaggio.
Sono state riscontrate differenze anche tra i ceppi di lievito.
Il fattore chiave, che potenzialmente crea un collo di bottiglia, sarebbe la transizione dal metabolismo fermentativo a quello respiratorio. Questo importante cambiamento si basa sulla sintesi di molte nuove proteine e complessi, ed è quindi un processo lento e ad alta intensità energetica per le cellule. «Ha senso che le cellule evitino di rispondere troppo rapidamente e all’unisono, rischiando di investire tempo ed energia per cambiare la propria dieta dal glucosio al maltosio, solo per trovare il glucosio nuovamente disponibile», aggiunge Verstrepen. Per studiare questo fenomeno, il gruppo ha dato la caccia alle parti del DNA del lievito, il cosiddetto QTL, che determinano questa differenza comportamentale. Il protocollo RNAseq a cellula singola di nuova concezione ha consentito al gruppo di scoprire che i cambiamenti in un gene specifico non caratterizzato, YLR108C, potrebbero spiegare gran parte della differenza. Le cellule con una forma più attiva di YLR108C sono più lente nella transizione, ma sembrano crescere meglio in condizioni più stabili. «Si tratta di uno dei primi chiari esempi di come una mutazione relativamente semplice e naturale in un gene detti il comportamento di un sistema di regolazione. Possiamo ora studiare le compensazioni di ogni strategia (quella generalista più lenta e stocastica o quella specialista più veloce e uniforme) per capire meglio la pressione evolutiva che favorisce comportamenti specifici», osserva Verstrepen. È già stato garantito un brevetto per utilizzare le varianti YLR108C al fine di ottimizzare le prestazioni del lievito nelle fermentazioni industriali. Oltre a una sovvenzione del Consiglio europeo della ricerca (CER) per la prova di concetto, sono già in corso discussioni con partner industriali per quanto riguarda le potenziali applicazioni.
Parole chiave
YEASTMEMORY, lievito, birra, circuiti di regolazione, reti molecolari, glucosio, maltosio, RNAseq, epigenetico, cellule, gene
