Новый метаболический путь объясняет эволюционное преимущество дрожжей
Дублированные копии генов обеспечивают выживание биотехнологических дрожжей Pichia pastoris в средах, где в качестве питания присутствует только метанол. Недавно расшифрованный метаболизм схож с тем, который растения используют для усвоения углекислого газа.
Дрожжи используются человечеством дольше, чем любой другой микроорганизм. Хлеб, пиво, вино — всё это нельзя было бы производить без Saccharomyces cerevisiae (пекарских дрожжей) и других видов дрожжей. За последние десятилетия дрожжи стали незаменимыми в промышленной биотехнологии в качестве надёжных клеточных фабрик. Ценные продукты, от ферментов до фармацевтических субстанций, производятся промышленно с использованием дрожжей, в основном вида Pichia pastoris, который отличается высокой продуктивностью.
Несмотря на долгое и разнообразное использование, дрожжи остаются одними из наиболее изученных организмов. Помимо промышленного применения, Pichia pastoris используется учёными как модельный организм для изучения клеточных структур. Всё казалось известным — до этого года. Исследователи из Австрийского центра промышленной биотехнологии (acib) и Венского университета природных ресурсов и наук о жизни (BOKU) расшифровали новый путь, который делает дрожжи Pichia pastoris уникальными. «Мы смогли показать, что предположения и модели, использовавшиеся последние 30 лет, неверны», — объясняет профессор Дитард Маттанович (BOKU и руководитель направления «Системная биология и микробная клеточная инженерия» в acib).
Новый путь объясняет утилизацию метанола в качестве «пищи». Дрожжи, такие как Pichia pastoris, относятся к редкому типу микроорганизмов, способных использовать этот простой спирт в качестве питательного вещества. Маттанович: «Клетки используют эту возможность, например, когда растут естественным образом в соке деревьев, где присутствует метанол».
Исследователи под руководством руководителя проекта доктора Бриджит Гассер обнаружили удивительное сходство с растениями. Растения используют углекислый газ (CO2) в качестве питательного вещества и перерабатывают этот парниковый газ в клеточных органеллах, называемых хлоропластами. В конечном итоге CO2 преобразуется в биомассу. Pichia работает аналогично: она преобразует метанол, который, как и CO2, состоит из одного атома углерода, в клеточной органелле, называемой пероксисомой. Решающую роль в обоих процессах играет образование химических связей между атомами углерода и их перестройка в молекулы сахаров и другие вещества, необходимые для синтеза биомассы. «До сих пор мы не знали, где в клетках происходят эти перестройки и какие гены их контролируют», — говорит Бриджит Гассер.
Также мало что было известно о генетическом кодировании этого метаболизма. У большинства клеток есть один ген на белок и метаболический этап. Pichia эволюционно подстрахована. Все гены для работы с метанолом дублированы, как обнаружили Маттанович и Гассер вместе с 13 учёными, участвовавшими в этом исследовательском проекте. Гены не только несут дополнительную генетическую информацию, чтобы соответствующие реакции локализовались в пероксисоме. Они активны только тогда, когда в качестве источника питания присутствует метанол.
Для этих выводов исследователи заново проанализировали все данные, полученные за последние годы в ходе биотехнологического усовершенствования Pichia pastoris в acib и BOKU. «Интерпретация наших данных системной биологии революционизировала понимание клеточной биологии», — говорит Бриджит Гассер, восхищаясь новыми знаниями о жизненных процессах на Земле. Работа была недавно опубликована в престижном журнале BMC Biology. Результаты демонстрируют ведущую роль венских исследователей, когда речь идёт о биотехнологических дрожжах Pichia pastoris.