Дрожди - Биология

Дрожди са едноклетъчни гъбички, които се размножават чрез покълване или разделяне (разделяне). Повечето принадлежат към отдела Ascomycota, но етапите на развитие на други гъбички също се наричат дрожди. Примери за гъбни дрожди (Basidiomycota) са етапите на издънките на различните голи видове базидии (Екзобазидиум), някои етапи на развитие на много гъби или дори по избор човешки патогенни гъби, като например Malassezia furfur.

История и значение

Дрождите са един от най-важните микроорганизми с търговско значение, които винаги са служили на човечеството. Още в ранните напреднали цивилизации на Близкия изток алкохолните напитки вино и бира, както и хлябът се приготвят с помощта на мая, без да се знае контекстът. Баварският закон за чистотата от 1516 г. също не споменава мая.

Едва когато Луи Пастьор (1822–1895) описва в своята работа Études sur la bière, че маята се състои от микроорганизми и че присъствието на тези организми е от съществено значение за процеса на ферментация. Пастьор доказа, че без мая не протича ферментация, а присъствието на други организми (диви дрожди или бактерии) нарушава ферментационното поведение, което води до развалена бира или вина. Дрождите се използват при производството на бира, вино, спиртни напитки, храни и голямо разнообразие от биохимични и терапевтични вещества. Някои дрожди причиняват разваляне на храната и фуражите, други имат медицинско значение.

Дрождите играят важна роля като образци на организми в биологията, тъй като те могат лесно да бъдат култивирани, генетично модифицирани и изследвани в лабораторията. Те са сред най-малките еукариотни организми. Тъй като те са еукариоти, приликата им с висшите организми е значително по-голяма от тази на бактериите.

биология

Дрождите се размножават безполово чрез покълване или разделяне. Настъпва и полово размножаване при Ascosporidae с образуване на аскус и аскоспора, при Basidiosporidae с образуване на базидиоспори.

Като еукариоти, дрождите обикновено са много по-големи от повечето бактерии и имат типични клетъчни структури на еукариотите: сложни мембранни структури, хромозоми и множество органели, включително митохондриите и ендоплазмения ретикулум, структури, които не присъстват в прокариотите (бактерии и археи).

Днес са известни около 700 вида дрожди с над 5000 щама, но само няколко са точно описани. Понастоящем няма обвързващо определящо определение за дрожди, тъй като свойствата на някои добре познати дрожди, като алкохолна ферментация и размножаване чрез клетъчно делене, не са общи за всички дрожди и не са уникални за тях.

Повечето дрожди са факултативно анаеробни, което означава, че те не зависят от кислорода. Ако кислородът е наличен, както повечето други живи същества, можете да го използвате за окислителен енергиен метаболизъм (аеробно дишане): Можете да окислите различни захари до въглероден диоксид и вода. При липса на кислород обаче много дрожди могат да разграждат захарите само до нискомолекулни вещества, например до етанол и въглероден диоксид (например при алкохолна ферментация). Захарното окисляване при аеробни условия осигурява повече енергия от ферментацията. Следователно скоростта на растеж на масата и скоростта на клетъчното делене са много по-високи при разграждането на окислителната захар, отколкото при ферментацията. [12]

Дрождите използват широка гама от въглехидрати. Все още обаче не са описани видове, които могат да използват всички естествено срещащи се захари. Някои примери: Най-ферментиращите щамове дрожди Saccharomyces cerevisiae може да използва глюкоза, фруктоза, маноза, галактоза, захароза, малтоза, малтотриоза и рафиноза. Близкородните видове Saccharomyces diastaticus и дънно ферментиращите стъбла на Saccharomyces cerevisiae (по-рано от видовете S. uvarum или S. carlsbergensis уважавани) също използват декстрини и мелобиоза. Saccharomyces cerevisiae и техните роднини обаче не могат да използват пентози като рибоза, ксилоза и арабиноза, нито целобиоза, лактоза, инулин и целулоза.

видове

Биотехническа употреба

Дрождите се използват в голямо разнообразие от биотехнологични процеси. Най-известното е производството на напитки, съдържащи етанол, като бира или вино (и други алкохолни напитки), както и самия етанол.Saccharomyces) се използват за производство на хляб ("бяла пекарна", тесто с мая) и производство на бира.

Ако течността, която трябва да ферментира, съдържа пектин, по време на ферментацията се получава метанол, който се разгражда в човешкото тяло до метанал (формалдехид) и впоследствие до метанова киселина (мравчена киселина) и може да доведе до слепота.

Въпреки че таксономията (биологична систематична класификация) на дрождите е противоречива, поне 1000 отделни щама на Saccharomyces Са определени. Индустрията се фокусира повече върху свойствата на отделните племена, отколкото върху общите таксономични класификации. За таксономията "незначителните" разлики между щамове като горната или долната ферментация, както и температурните оптимуми могат да бъдат от решаващо значение в техническото приложение. Класическото отглеждане на дрожди изглежда трудно, тъй като повечето индустриални щамове са полиплоидни или анеуплоидни и следователно нямат хаплоидно-диплоиден жизнен цикъл. Следователно тези щамове са генетично по-стабилни, но едва ли предлагат подходящи репродуктивни дейности за използване на класически методи за размножаване. Техниките, включващи образуване на сферопласти и рекомбинантна ДНК, водят до генерирането на други дрождови щамове с индустриален потенциал. Тези техники са добре усъвършенствани и отдавна се използват по-специално в микробиологията, но все още липсва приемане от европейската общественост.

Промишлено значение

Общата маса на дрождите, произведени днес, включително тези от пивоварството, винопроизводството и производството на храни, е милиони тонове годишно. Макар и дрожди от вида Saccharomyces cerevisiae представляват съществената, икономически значима форма, има множество "екзотични" видове дрожди с други потенциални приложения за техническо приложение. Повечето Saccharomyces-Дрождите обикновено са признати в световен мащаб като безопасни по отношение на законодателството в областта на храните (GRAS - общопризнато като безопасно) и произвеждат два много важни първични метаболитни продукта, етанол и въглероден диоксид.

Етанолът се използва като алкохол за пиене, като гориво и като разтворител. Използването на въглероден диоксид варира от тесто за втасване, добавки към напитки, производство на екстракт от хмел за използване в оранжерийни култури. Съществуват и други важни приложения на самите дрожди. Екстрактите от дрожди се използват за ароматизиране на храни и като източник на нуклеотиди са важен компонент на заместителите на кърмата. Дрождите служат като източник на витамин В за хората и животните. Стерилните екстракти от дрожди служат като компоненти на хранителни среди за култивиране на гъбички при производството на ензими или за производство на бактерии за пробиотици и силиращи агенти.

Структурата на клетъчната стена на някои Saccharomyces-Видовете могат да бъдат специално контролирани чрез отглежданата среда (управление на ферментацията, хранене), което прави тези организми много популярни в биотехнологичната индустрия. Доказано е, че решетъчно подобрената глюканова фракция на клетъчната стена на някои щамове има токсиносвързващи свойства. Дефинираните мананопротеини позволяват борбата срещу патогенните бактерии или служат като орални „промотори“ на ваксини и лекарства, приложения, които също биха могли да представляват интерес за храненето на животните. Добре описаният хранителен синтез на дрожди позволява производството на аминокиселини и органично свързани микроелементи за хранене на хора и животни. Използването на генно инженерство доведе до много други важни приложения на дрождите, включително щамове, които чрез генетична модификация произвеждат нетипични за дрождите протеини и пептиди като интерферон, човешки серумен албумин или инсулин.

Предимства на дрождите като „платформи за изразяване“

Дрождите се състоят от голям брой много различни организми, а не само от хлебни или бирени дрожди, които обикновено са известни от печенето и варенето Saccharomyces cerevisiae.

Дрождите са идеални системи за производство на чужди протеини. Като еукариоти, те са способни да гликозилират протеини, така че са способни да прикрепят захарни вериги към протеините: много протеини са гликопротеини. Те също така са в състояние да отделят тези гликопротеини в хранителната среда, която ги заобикаля - чревните бактерии Е. coli не може да направи това, например. Следователно протеините, произведени в дрождите, са идентични или много подобни на протеините на животни или хора.

Първата „експресионна платформа“ („фабрика за протеини“), базирана на вид дрожди, използва вече споменатата хлебна мая. Съществуват обаче повече от 800 различни видове дрожди с много различни свойства. За разлика от хлебните дрожди, някои от тях не се ограничават до глюкозата като източник на въглерод за растежа си, но могат да използват различни субстрати. Различни от тези дрожди се използват - като хлебни дрожди - за генното инженерство на протеините.

Arxula adeninivorans (Blastobotrys adeninivorans)

Arxula adeninivorans е диморфен тип дрожди (расте под формата на дрожди под температура от 42 ° C, над тази температура във влакнеста форма). Може да расте върху много различни източници на енергия и въглерод и да асимилира нитрат. Използва се за производството на различни протеини. Генетично модифицирани щамове са използвани за производство на биоразградима пластмаса или биосензори за измерване на естрогени в проби от околната среда.

Candida boidinii

Candida boidinii е метилотрофен вид дрожди (т.е. способен да расте с метанолово окисление като енергиен източник и метанол като въглероден източник). Подобно на други метилотрофни дрожди (виж по-долу Hansenula polymorpha и Pichia pastoris) предлага отлична платформа за производство на чужди протеини. За тях е описана продуктивност от много грама на литър култура.

Hansenula polymorpha (Pichia angusta)

Hansenula polymorpha е метилотрофен вид дрожди (вж Candida boidinii). Той може да расте и на различни други субстрати, термотерпим микроорганизъм и може да асимилира нитрати. Наред с други неща, той се използва за производството на ваксини срещу хепатит В, инсулин и интерферон-алфа2а за лечение на хепатит С и за производството на различни технически ензими.

Kluyveromyces lactis

Kluyveromyces lactis е вид дрожди, който се използва при производството на кефир. Може да расте на различни захари, особено важна е захарната лактоза, която се съдържа в млякото и суроватката. Наред с други неща, след генетична модификация той се използва за производството на химозин, сирището, за подсирване на млякото при производството на сирене. Производството на химозин се извършва в големи ферментатори в мащаб 40 000 l.

Pichia pastoris

Pichia pastoris е друг вид метилотрофни дрожди (вж. Candida boidinii и Hansenula polymorpha). Предлагат се различни елементи като комплекти за тази „платформа“; той се използва по целия свят в университети и академични институции за производство на протеини. Съвсем наскоро бяха разработени щамове, които произвеждат сложните захарни вериги от човешки протеини по напълно автентичен начин (веригите от дрождева захар в протеините на дрождите обикновено са подобни, но не напълно идентични).

Saccharomyces cerevisiae

Терминът „мая“ е общ термин, но често се използва само за този вид мая, традиционната хлебна или бирена мая Saccharomyces cerevisiae, използва се, защото това е първоначалното значение на думата „мая“. Saccharomyces cerevisiae е бил и се използва, наред с други неща, за производството на технически ензими, но също така и на активни фармацевтични съставки като ваксини срещу инсулин и хепатит В.

Yarrowia lipolytica

Yarrowia lipolytica е диморфен вид дрожди (вж. Arxula adeninivorans), които, подобно на други вече описани видове, могат да растат на различни субстрати. Той има голям потенциал за промишлени приложения, но все още няма наличен в търговската мрежа продукт за генно инженерство, който да е произведен с помощта на тази мая.

Сравнение на различните дрожди

Различните видове дрожди се различават значително при определени разработки на продукти. В допълнение, така наречените диви видове трябва първо да бъдат трансформирани в „фабрики за генетични протеини“. Подходящите дрождови щамове трябва да бъдат трансформирани с помощта на вектор (по-специално: с помощта на плазмид). Такъв плазмид съдържа всички необходими генетични елементи за разпознаване на трансформиран щам и генетични насоки за производството на желания протеин. Тези елементи са обобщени накратко по-долу:

Маркер за селекция, който е необходим, за да се разграничи трансформиран щам от нетрансформиран щам - това може да се постигне, например, чрез генетичен елемент, който позволява на дефектния щам да расте обратно в среда, в която липсва необходимо вещество че самият щам вече не може да произвежда поради своя дефект, като определена аминокиселина.
Някои елементи, за да се размножат плазмидите след поглъщане или да се включат в определено място на хромозомата на дрождите (ARS и/или рДНК последователност).
Сегмент от ДНК, който е отговорен за синтеза на желания протеин, наречен експресионна касета. Такава „касета“ се състои от поредица от регулаторни секции: първо тя съдържа промотор, който контролира до каква степен и при какви обстоятелства се чете следваща последователност (транскрипция на иРНК) и по този начин колко и при какви обстоятелства се произвежда протеин става.

Това означава, че следната последователност е променлива в зависимост от веществото, което се произвежда. Например, той може да определи аминокиселинната последователност за инсулин, повърхностни антигени на хепатит В или интерферон. Експресионната касета е ограничена от последваща терминаторна последователност, чрез която се извършва правилно прекратяване на транскрипцията. Промоторните елементи за контролиране на транскрипцията идват от много активни гени на отделните видове дрожди Hansenula polymorpha например от гени на метанолния метаболизъм. Те са силни и могат да се регулират чрез добавяне на определени източници на въглерод към културална среда. Повечето от организаторите, като току-що споменатите, функционират само в една система, а именно тази, от която произхождат.

Установено е, че различните видове дрожди са много различни по способността си да произвеждат определени протеини. Има разлики в обработката и модификацията и като цяло в производителността. Тъй като те се различават, не може да се изключи, че дрождите, посочени в началото на процеса и разработването на продукта, изобщо не са в състояние или само изцяло не могат да произведат желаното вещество. Това от своя страна може да има скъпи и отнемащи време последици. Следователно има смисъл да се проверяват няколко вида дрожди едновременно за способността им да произвеждат определен протеин в началото на развитието. За тази цел е разработена векторна система, която е функционална за всички дрожди, изследвани досега. Той има модулна структура и съдържа „универсална“ целева последователност, която присъства в идентична последователност във всички дрожди (rDNA). В експресионната касета съдържа промотор, който е активен във всички дрожди.

Мая в храненето на животните

В допълнение към използването на бира или бирена мая в убита форма като високодостъпен източник на протеин, специфични щамове се използват от около 20 години Saccharomyces cerevisiae използва се в храненето на животните като пробиотици. Триумфалният напредък на тази форма на приложение, особено в сектора на преживните животни, се връща към важно наблюдение от пивоварната индустрия: За да стабилизират готовата зелена бира, пивоварите използват малко количество мая в процеса на „подпухване“, което консумира остатъчен кислород. В този контекст британският пивоварен учен Джеймс Хау описва през 1965 г. в щама S. cerevisiae NCYC 1026 необичайно висока консумация на кислород. Неговият ученик, ирландският пивоварен инженер Пиърс Лайънс, използва това наблюдение за първи път в търговската мрежа, за да стабилизира анаеробното състояние в търбуха на кравите. Днес използването на живи дрождни култури при хранене на преживни животни и коне е стандартно в световен мащаб.

Други ефекти, свързани с работата и здравето на животните, могат да бъдат проследени до определящите околната среда и стимулиращи бактериите свойства на живите дрожди. Различни разграждащи фибрите и разграждащи лактата бактерии реагират на присъствието на дрожди, като увеличават техния метаболизъм и репродуктивната си активност. Използваните свойства отново са специфични за отделни щамове Saccharomyces. Известни са също щамове с противоположни ефекти, като стимулиране на образуващите лактат.

перспектива

Търсенето на бъдещи приложения за дрожди в храненето на животните се фокусира върху производството на естествени хемицелулази и целулази за производството на по-висококачествени протеини и отделни аминокиселини от евтини суровини като оризови люспи или странични продукти от алкохолната индустрия. Други области включват генерирането на пептиди за балансирано хранене на млади животни в смисъла на „идеални протеини“ и използването на дрожден протеин като основа за хелатиращи лекарства и микроелементи. Отглеждането и производството на дрожди от желания вид изисква много ноу-хау, но е много гъвкаво и най-вече много безопасно. Saccharomyces cerevisiae и следователно техните роднини ще придружават човечеството още дълго време.