Chorujące drożdże – czyli od chleba i piwa do badań nad chorobami ludzkimi

Każdy z nas zna smak ciasta drożdżowego babci albo zapach świeżego chleba unoszący się znad piekarniami. Ci dorośli znają także smak orzeźwiającego piwa albo dobrego wina. Wielu z nas słyszało też pewnie nieraz o chorobach takich jak nowotwory czy choroby neurodegeneracyjne. Co je łączy? Otóż łączą je drożdże piekarskie!

Drożdże piekarskie, piwne czy winiarskie to po łacinie Saccharomyces cerevisiae. Są to jednokomórkowe mikroorganizmy, które zalicza się do królestwa grzybów. Znane są ludzkości już od tysięcy lat, kiedy to nasi przodkowie po raz pierwszy wykorzystali zdolność niektórych szczepów drożdży do fermentacji i użyli ich do wypiekania chleba czy produkcji alkoholu. Drożdże prócz swoich niesamowitych właściwości wykorzystywanych w przemyśle spożywczym są też szeroko wykorzystywane w… nauce – jako organizm modelowy (Rys. 1). 

Rys.1. Przykłady wykorzystania drożdży Saccharomyces cerevisiae przez ludzkość

Saccharomyces cerevisiae jest wykorzystywany przez naukowców z kilku względów: po pierwsze ich hodowla jest bardzo łatwa i tania, o wiele bardziej niż hodowla zwierząt laboratoryjnych, nie budzi też  problemów etycznych (Smith, Snyder, 2006). Po drugie drożdże są znane ludzkości od wieków, przez co są też dobrze przebadanym naukowo organizmem, na temat którego dostępnych jest bardzo wiele informacji -  w badaniach naukowych jest to ogromna zaleta. Choć drożdże to mikroorganizmy o prostej budowie, są eukariontami czyli organizmami na tyle podobnymi do komórek ludzkich, że można wykorzystać je również do badania niektórych chorób o podłożu genetycznym (Smith, Snyder, 2006; Poswal, Saini, 2017; Pereira i in. 2012; Khurana, Lindqist 2010; Simon, 2001).

Choć to brzmi nieprawdopodobnie, drożdże mają też wiele genów podobnych do ludzkich. Dzięki temu, majstrując trochę w ich genach za pomocą metod inżynierii genetycznej, możemy im „włączyć” lub „wyłączyć” drożdżowy odpowiednik genu odpowiedzialnego za daną ludzką chorobę. Oczywiście takie działanie nie pokaże nam wielu symptomów choroby jakie występują na poziomie skomplikowanego ludzkiego, wielokomórkowego organizmu, jednak na poziomie pojedynczej komórki możemy niejako obserwować proste objawy danej choroby, a dla naukowców to już całkiem sporo. Tę zaletę drożdży naukowcy wykorzystali m.in. do badań chorób neurodegeneracyjnych takich jak np. ataksja Friedreicha (Pereira i in. 2012). Co jednak, kiedy drożdże nie mają odpowiednika ludzkiego genu odpowiedzialnego za chorobę, którą naukowcy chcą badać? Nic prostszego! Dzięki temu, że manipulacje genetyczne na drożdżach należą do dość prostych, można im ludzki gen odpowiedzialny za daną chorobę „dokleić” do ich genów po to, aby na podstawowym poziomie komórkowym, imitować symptomy choroby jaka występuje u ludzi i móc ją badać. W ten sposób można badać podstawy takich chorób jak choroba Parkinsona, choroba Alzheimera czy choroba Huntingtona  (Poswal, Saini, 2017; Khurana, Lindqist 2010).   

Drożdże mogą być też niezwykle ciekawyymi modelami w badaniu nowotworów (Simon, 2001). Podobnie jak w przypadku chorób neurodegeneracyjnych, drożdże mogą mieć odpowiedniki ludzkich genów, które mogą wywołać nowotwór. Dzięki takiej „mocy” drożdżowej genetyki naukowcy chętnie badają na drożdżach potencjalne leki antynowotworowe czy zgłębiają podstawy powstawania, genetyki i fizjologii nowotworów. W ten sposób można badać geny odpowiedzialne przykładowo za naprawę DNA, których mutacje mogą wywołać np. raka piersi. 

Poza chorobami ludzkimi, drożdże mogą być też przydatne w badaniu procesów odpowiedzialnych za starzenie organizmu (Kaeberlein, 2006). Analiza procesów starzenia nie może być dokonana na ludziach z  wiadomych, etycznych przyczyn. Istnieje zatem wiele innych modeli badawczych, które mogą podpowiedzieć naukowcom jak wygląda starzenie się organizmu na poziomie komórkowym czy molekularnym. To, że drożdże są dobrze poznanym organizmem modelowym łatwo poddającym się manipulacjom genetycznym oraz to, że mają krótki okres żywotności i ograniczoną liczbę komórek potomnych gdy się dzielą sprawia, że drożdże są świetnym i prostym modelem do badań nad starzeniem. Krótko mówiąc – drożdże dzieląc się i wydając na świat komórki potomne starzeją się w sposób trochę podobny do komórek ludzkich, co naukowcy wykorzystują w badaniach. 

Któż by się spodziewał, że poczciwe drożdże piekarnicze mogą przyczynić się do tak wielu ważnych badań? Jak sami widzicie, drożdże pomagają naukowcom rozwikłać podstawowe mechanizmy działania chorób. Trzeba jednak pamiętać, że te proste organizmy nie są w stanie zastąpić badań na wyższych organizmach modelowych jak np. ssaki, które zdecydowanie pozwalają na głębszy wgląd w chorobę.   Naukowcy od wielu lat wykorzystują drożdże do badań, nie tylko medycznych, ale także do badań z dziedziny biotechnologii biochemii czy biologii molekularnej. Bada się na nich wiele podstawowych, a jednak jeszcze nie do końca poznanych, procesów jakie zachodzą w organizmach żywych. Wielu naukowców badających na drożdżach procesy dziejące się w organizmach żywych otrzymało za swe odkrycia Nagrody Nobla, potwierdzając ważność tego mikroorganizmu w nauce  (Starr, 2016). Choć niepozorne, aczkolwiek podobne do komórek ludzkich, drożdże z całą pewnością stanowią bardzo ważny model dla badań naukowych.

Opublikowano w dziale nauki przyrodnicze dnia 10 lis 2021