XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

Введение

Дрожжевые клетки являются важным объектом исследований в биологии, микробиологии и биотехнологии. Изучение факторов стресса для дрожжевых клеток имеет большое значение для понимания их выживаемости, роста и функционирования. В данном обзоре будут рассмотрены основные факторы стресса, воздействующие на дрожжевые клетки, и их влияние на клеточные процессы.

Изучение факторов стресса для дрожжевых клеток имеет огромную актуальность в связи с их широким применением в биотехнологии, медицине и пищевой промышленности.Понимание как физических, так и химических стрессоров на клеточном уровне поможет оптимизировать процессы культивирования дрожжей, повысить выход целевых продуктов и разработать методы защиты от негативного воздействия окружающей среды.

Основная часть.

Применение Y. lipolytica W29 в сфере биотехнологии.

Yarrowia lipolytica – это микроорганизм, который активно применяется в биотехнологии для производства различных биопродуктов при стрессовых условиях. Исследования направлены на изучение изменений в экспрессии генов, метаболических путях и физиологических реакциях на стресс у Y. lipolytica. Этот организм широко используется в промышленности и пищевой биотехнологии. Особенность Y. lipolytica заключается в возможности секреции белков с легким контролем и посттрансляционной модификации без избыточного гликозилирования, что делает его привлекательным для выражения гетерологичных белков в биотехнологии[3].

Yarrowia lipolytica - микроорганизм с большим потенциалом для применения в сельском хозяйстве и экобиотехнологии. Его возможности включают биоремедиацию почв и воды, утилизацию токсичных веществ и лигноцеллюлозного сырья. Кроме того, Y. lipolytica является перспективным штаммом для производства биодизеля из жиров[1].

Исследования показали, что Y. lipolytica обладает уникальной способностью адаптироваться к различным стрессовым условиям. Были выявлены различия в антиоксидантной активности клеток в зависимости от условий культивирования. Тепловое воздействие, например, стимулирует антиоксидантные механизмы защиты клеток.

Молекулярный механизм адаптации дрожжей Yarrowia lipolytica к факторам стресса.

Дополнительные исследования показали, что при оптимальной температуре и тепловом стрессе происходят изменения в клетках Y. lipolytica W29. Например, при щелочном стрессе наблюдается снижение ненасыщенности жирных кислот мембранных кардиолипинов. Также отмечено расходование запасных триацилглицеридов в клетках Y. Lipolytica.

Проведен анализ изменений протеома клеток Yarrowia lipolytica W29 в условиях теплового и щелочного стресса, а также их комбинации. Отмечается парадоксальное явление исчезновения экспрессии факторов антиоксидантной защиты при воздействии комбинированных стрессоров. Также отмечено увеличение экспрессии митохондриального порина при щелочном стрессе и в условиях комбинированных стрессоров[7].

В результате развития окислительного стресса происходит восстановление кислорода в митохондриях, что может привести к образованию активных форм кислорода. Эти соединения являются мощными окислителями и могут инициировать цепные реакции окисления.

Дыхательная цепь митохондрий служит основным источником активных форм кислорода в клетках[2].

Активные формы кислорода (АФК) являются вредными для клеток из-за высокой окислительной активности, вызывая окислительный стресс. Антиоксиданты могут помочь защитить клетки от их воздействия, предотвращая повреждения, включая митохондриальную ДНК, и образование 8-оксогуанина. Этот продукт окисления гуанина может привести к мутациям в ДНК, таким как замена G×C → T×A, что часто встречается в опухолевых клетках человека. 8-оксогуанин является основным мутагеном в клетках, способствуя их трансформации. Антиоксиданты также могут вызывать изменения в белках и ферментах, а окисление аминокислот может привести к необратимым модификациям белков[7].

Согласно современным представлениям, свободные радикалы и другие активные формы кислорода (АФК) значительно влияют на регуляцию основных функций клетки как в нормальных условиях, так и при воздействии на клетку различных патогенных факторов. Активный формальдегидный кислород (АФК) играет ключевую роль в окислительных процессах, приводя к образованию дисульфидных связей за счет окисления цистеиновых и метиониновых остатков в белках[7].

Изменения в метаболизме металлов при кислом стрессе. AFT1 индуцируется при кислом стрессе. Aft1 локализуется в ядре в условиях кислого стресса и недостатка железа. Клетки не могут импортировать железо или нуждаются в большем количестве железа.

SED1 индуцируется в кислых условиях, но делеция гена приводит к устойчивости к кислотам. Понижение pH меняет архитектуру клеточной стенки. Вакуолярная АТФ-аза также важна для противостояния кислому стрессу. Мутанты HOG1 показали пониженную устойчивость к кислому стрессу.

Saccharomyces cerevisiae.

S. cerevisiae, известный также как пекарские или пивные дрожжи, является разновидностью дрожжей, которая, по предположению, была первоначально выделена из кожицы винограда. Этот организм - один из наиболее изученных одноклеточных эукариотических организмов. Клетки S. cerevisiae обладают яйцевидной формой и диаметром около 5-10 мкм. Эти дрожжи способны к размножению как половым, так и бесполым путем (почкованием). S. cerevisiae предпочитает питаться сахарами, такими как глюкоза, мальтоза и трегалоза. Они могут производить энергию (АТФ) как при аэробном, так и при анаэробном дыхании, переключаясь на последнее в условиях отсутствия кислорода[6].

Клетка дрожжей, по сравнению с клеткой кишечной палочки Escherichia coli, содержит в 3,5 раза больше ДНК[5].

При анаэробном дыхании дрожжи подвергаются процессу ферментации, в результате которого образуется спирт и CO2. Они используют сахара, такие как сахароза и трегалоза, в качестве источника питания. Способность S. cerevisiae сбраживать сахара является ключевой для его применения в хлебопечении и производстве вина[5].

Влияние значений PH на морфологические особенности Saccharomyces cerevisiae.

Штамм S. cerevisiae Y-503-гетерозиготный тетраплоид, полученный методом селекции в результате лазерного воздействия на смешанную культуру клеток промышленных штаммов, и S. cerevisiae DAW-3a - гетероталличный гаплоид, потомок линии штамма Y-503.

В условиях рН – стресса происходят морфологические изменения клеток и гигантских колоний штаммов S. cerevisiae Y-503 и S. cerevisiae DAW-3a[4].

Было обнаружено, что оптимальным значением pH для роста колоний обоих штаммов дрожжей является 4.5. Дрожжевые клетки обладают достаточной устойчивостью к значительным изменениям pH окружающей среды, однако внутриклеточные процессы чрезвычайно чувствительны к pH, который поддерживается на постоянном уровне благодаря эффективным буферным системам. Повышение или понижение pH среды культивирования относительно оптимальных значений сначала замедляет, а затем прекращает рост дрожжевых клеток.

Проведенные исследования показали, что культивация дрожжей на средах с pH 7.0 привела к уменьшению размеров колоний в 1.7 (Y-503) и 2.4 раза (DAW-3A) по сравнению с рН 4.5. Нейтральное значение pH оказалось не оптимальным для исследуемых штаммов, однако значительного ингибирования роста дрожжей не наблюдалось.

Также было обнаружено, что дрожжевые клетки способны к адаптации к щелочным условиям (pH 9.0 и 11.0). При выращивании на средах с экстремально высокими значениями pH наблюдалось уменьшение размеров гигантских колоний в 2.6 раза (Y-503) и 2.4-2.7 раза (DAW-3A), соответственно, по сравнению с оптимальным pH.

Проведенный нами анализ морфологических особенностей гигантских колоний и клеток Y-503 и DAW-3a в различных значениях рН среды показал, что изученные дрожжи обладают уникальной способностью к активному развитию в условиях экстремально высокого (11.0) и низкого (3.0) рН.

Оптимальным для роста дрожжей является рН 4.5, при этом обнаружено, что клетки исследуемых штаммов довольно устойчивы к экстремальным значениям рН 3.0 и рН 11.0.

Заключение

В заключение можно отметить, что понимание факторов стресса для дрожжевых клеток имеет важное значение для разработки методов защиты и улучшения их выживаемости. Дальнейшие исследования в этой области могут привести к разработке новых стратегий борьбы с неблагоприятными условиями, что поможет повысить эффективность производства биотехнологических продуктов на основе дрожжей.

Список литературы

1. Банницына Т.Е., Канарский А.В., Щербаков А.В., Чеботарь В.К., Кипрушкина Е.И. Дрожжи в современной биотехнологии // Вестник МАХ. 2016. №1

2. Гривенникова В.Г., Виноградов А.Д. Генерация активных форм кислорода митохондриями // Успехи биол. химии. — 2013. — Т. 53. — С. 245–296.

3. Гусева М.А., Эпова Е.Ю., Осипенкова О.В., Елагина Е.М., Шевелев А.Б. Изучение молекулярного механизма адаптации дрожжей yarrowia lipolytica к щелочному стрессу // Фундаментальные исследования. – 2011. – № 3. – С. 181-190;

4. Исламмагомедова Эльвира Ахмедовна, Халилова Эсланда Абдурахмановна, Котенко Светлана Цалистиновна, Гасанов Расул Закирович, Аливердиева Динара Алиевна Влияние экстремальных значений Pн на морфологические особенности дрожжей Saccharomyces cerevisiae // Известия Самарского научного центра РАН. 2018. №5-2.

5.  Набиева Фарангиз Садриддиновна, Кудратова Зебо Эркиновна, Кувандиков Голиб Бердирасулович РОЛЬ SACCHAROMYCES CEREVISIAE В РАЗВИТИИ СОВРЕМЕННОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ // Достижения науки и образования. 2021. №5 (77).

6. Новиков Василий Егорович, Левченкова Ольга Сергеевна, Пожилова Елена Васильевна Роль активных форм кислорода в физиологии и патологии клетки и их фармакологическая регуляция // Обзоры по клинич. фармакол. и лек. терапии. 2014. №4.

7. Секова Варвара Юрьевна Основные физиолого-биохимические и молекулярные аспекты адаптации к стрессовым факторам у дрожжей Yarrowia lipolytica: автореф. дис. биохимия наук: 1.5.4. - Москва, 2023. - 214 с.