Дрожжевые клетки предпочитают сотрудничать с близкими родственниками для производства пива, хлеба и вина

Клетки пекарских дрожжей, живущие вместе в сообществах, помогают кормить друг друга, но оставляют пришельцев из того же вида умирать от голода. К такому выводу пришли исследователи из Кембриджского университета.

Результаты, опубликованные в открытом журнале eLife, могут привести к созданию новых биотехнологических производственных систем, основанных на метаболическом сотрудничестве. Их также можно использовать для подавления роста клеток, блокируя обмен метаболитами между ними. Это может стать новой стратегией борьбы с грибковыми патогенами или опухолевыми клетками.

«Клеточная кооперация, которую мы обнаружили, играет значительную роль в том, что дрожжи помогают нам производить пищу, пиво и вино», — говорит первый автор Кейт Кэмпбелл.

«Это также может быть важно для всей эукариотической жизни, включая животных, растения и грибы».

Метаболизм дрожжей тысячелетиями использовался человечеством в пивоварении и хлебопечении. Дрожжи метаболизируют сахар и выделяют множество малых молекул в течение жизненного цикла — от спиртов и диоксида углерода до антиоксидантов и аминокислот. Хотя многие исследования показали, что дрожжи являются надежной метаболической «рабочей лошадкой», лишь недавно стало ясно, что эти одноклеточные организмы собираются в сообщества, где отдельные клетки могут выполнять специализированные функции.

В новом исследовании, финансируемом Wellcome Trust и European Research Council, ученые из Кембриджского университета и Института Фрэнсиса Крика обнаружили, что клетки высокоэффективно обмениваются некоторыми из своих основных строительных блоков (аминокислотами и нуклеотидными основаниями, такими как A, T, G и C, составляющими ДНК) в рамках так называемого метаболического сотрудничества. Однако они делают это не с любыми дрожжевыми клетками: они делятся питательными веществами с клетками, происходящими от общего предка, но не с другими клетками того же вида, если те происходят из другого сообщества.

Используя подход синтетической биологии, команда доктора Маркуса Ральзера из Департамента биохимии начала с метаболически компетентной материнской дрожжевой клетки, генетически модифицированной так, что её дочерние клетки постепенно теряют важные метаболические гены. С её помощью они вырастили гетерогенную популяцию дрожжей в несколько поколений, где отдельные клетки испытывают дефицит различных питательных веществ.

Кэмпбелл проверила, могут ли клетки, лишенные метаболического гена, выжить, делясь питательными веществами с членами своей «семьи». В условиях своего сообщества эти клетки продолжали расти и выживать. Это означало, что клетки поддерживались соседними клетками, у которых метаболическая активность оставалась нетронутой, обеспечивая их необходимым запасом питательных веществ. В конечном итоге в колонии установился состав, при котором большинство клеток действительно помогали друг другу. Когда вводились клетки того же вида, но из другого сообщества, социальные взаимодействия не устанавливались, и чужеродные клетки погибали от голода.

Сравнив успешное сообщество с другими штаммами дрожжей, не имевшими метаболических дефектов, исследователи не обнаружили существенных различий в том, как обе популяции росли и производили биомассу. Это означает, что совместное использование ресурсов было настолько эффективным, что компенсировало любой недостаток.

Таким образом, последствия этих результатов могут быть значительными для отраслей, где дрожжи используются для производства целевых биомолекул. Это включает биотопливо, вакцины и пищевые добавки. Исследование также может помочь в разработке терапевтических стратегий против патогенных грибов, таких как дрожжи Candida albicans, которые формируют кооперативные сообщества для преодоления нашей иммунной системы.