Asekuracyjne diety komórek drożdży
Reagując na bodźce środowiskowe, sieci molekularne wykształciły funkcje, które są uruchamiane automatycznie. Na przykład rytmy dobowe są kodowane w układach regulacji i koordynowane czynnikami takimi jak światło. Dodatkowo prędkość i jednorodność, z jakimi te proste sieci przesyłają sygnały, również może być optymalizowana, co sugeruje pewien rodzaj inteligentnej możliwości adaptacji. Jako że to tak zwane stochastyczne zachowanie jest mniej przewidywalne, może wydawać się nieskoordynowane i losowe. Może to być działanie asekuracyjne, w ramach którego organizmy przystosowują się do sytuacji, w których zachodzą (lub nie) pewne zdarzenia, takie jak dostępność pożywienia”, wyjaśnia Kevin Verstrepen, koordynator projektu YEASTMEMORY pracujący w Centrum Mikrobiologii przy VIB-KU Leuven, będącym gospodarzem projektu. Twórcy finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu YEASTMEMORY chcieli dowiedzieć się więcej na temat czasu reakcji organizmu na bodziec oraz tego, które zachowania okazały się korzystne. Badając, w jaki sposób komórki drożdży reagują na dostępność glukozy, naukowcy odkryli, że reakcja ta różni się u identycznych pod względem genetycznym komórek w tej samej populacji i wpływają na nią wcześniejsze doświadczenia. Badacze ustalili, który element genetyczny prawdopodobnie odpowiada za taki stan rzeczy. Wykorzystali w tym celu swój nowy protokół sekwencjonowania pojedynczych komórek u drożdży.
Podstawy genetyczne różnych zachowań w odpowiedzi na bodziec
Projekt ten narodził się w wyniku rozmowy przeprowadzonej 15 lat temu z piwowarem, nie tyle przy piwie, co na temat piwa. Piwo powstaje poprzez wystawienie maltozy, cukru zawartego w jęczmieniu, na działanie fermentujących komórek drożdży. Wcześniej piwowarzy niekiedy pozwalają drożdżom rosnąć w warunkach laboratoryjnych, na pożywce z glukozy. Ten konkretny wytwórca piwa chciał wiedzieć, dlaczego jego drożdże nie powodowały wydajniejszej fermentacji maltozy po kilku dniach karmienia glukozą. „Uwzględniając prędkość, z jaką dzielą się komórki drożdży, zaobserwowałem, że nowe komórki zachowywały się inaczej, w zależności od diety poprzednich pokoleń oraz że to zachowanie bardzo różniło się pomiędzy poszczególnymi komórkami. Wydawało się, że za taki stan rzeczy odpowiada zjawisko epigenetyczne”, zauważa Verstrepen. Przenieśmy się teraz w czasie o 15 lat, do projektu YEASTMEMORY. Zespół ustalił, że po okresie wzrostu w glukozie wynoszącym co najmniej 10 godzin większość komórek drożdży potrzebowała co najmniej sześciu godzin, by przestawić się na żywienie się maltozą. Niektórym komórkom, identycznym pod względem genetycznym, zajęło to ponad 20 godzin, inne zaś w ogóle nie przestawiły się na nowy cukier.
Zaobserwowano również różnice pomiędzy poszczególnymi szczepami drożdży.
Kluczowym czynnikiem, który mógł być źródłem problemu, było przejście z metabolizmu fermentacyjnego na metabolizm respiracyjny. Ta duża zmiana opiera się na syntezie wielu nowych białek i związków, jest więc powolnym procesem wymagającym od komórek dużych ilości energii. Nie dziwi, że komórki unikają zbyt szybkiej, jednorodnej reakcji i nie ryzykują inwestując czas i energię w zmianę diety z glukozowej na maltozową, tylko po to, żeby dowiedzieć się, że glukoza jest znowu dostępna”, dodaje koordynator projektu. Aby zbadać to zjawisko, zespół ustalił, które części DNA drożdży – tak zwany locus cechy ilościowej (QTL) – odpowiadają za taką różnicę w zachowaniu. Nowo opracowany protokół RNAseq pojedynczej komórki umożliwił naukowcom odkrycie, że zmiany w jednym określonym, nieopisanym genie, YLR108C, mogą w dużym stopniu wyjaśniać takie zróżnicowanie. Komórki z aktywniejszą postacią YLR108C przechodzą na nową dietę wolniej, jednak zdają się lepiej rosnąć w stabilniejszych warunkach. „To jeden z pierwszych jasnych przykładów na to, jak względnie prosta, występująca w przyrodzie mutacja jednego genu wpływa na zachowanie układu regulującego. Możemy teraz zbadać kompromisy zachodzące w przypadku każdej z tych strategii – wolniejszy i bardziej stochastyczny element ogólny czy szybszy, bardziej jednorodny specjalista – aby lepiej zrozumieć presję ewolucyjną, która sprzyja określonym zachowaniom”, zauważa Verstrepen. Zespół uzyskał już ochronę patentową dla stosowania wariantów YLR108C w celu optymalizacji zachowania drożdży w procesie fermentacji przemysłowej. Zespół otrzymał już grant przydzielony przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych (ERBN) na dowiedzenie słuszności jego koncepcji. Obecnie trwają rozmowy z partnerami z sektora przemysłowego dotyczące potencjalnych zastosowań.
Słowa kluczowe
YEASTMEMORY, drożdże, piwo, układy regulacji, sieci molekularne, glukoza, maltoza, RNAseq, epigenetyczny, komórki, gen
