Saccharomyces cerevisiae

Saccharomyces cerevisiae — это вид одноклеточных грибов (дрожжей) из отдела аскомицетов (сумчатых грибов), наиболее известный и широко используемый человеком в пищевой промышленности и биотехнологии. В быту его часто называют пекарскими, пивными или винными дрожжами. Saccharomyces cerevisiae является одним из наиболее изученных модельных организмов в молекулярной и клеточной биологии, генетике и биохимии.

Таксономия и систематика

Saccharomyces cerevisiae относится к домену Эукариоты, царству Грибы, отделу Аскомицеты, классу Saccharomycetes, порядку Saccharomycetales, семейству Saccharomycetaceae, роду Saccharomyces. Видовое название cerevisiae происходит от латинского слова cerevisia, означающего «пиво». Внутри вида выделяют множество штаммов, которые различаются по физиологическим, биохимическим и генетическим характеристикам, что определяет их специализацию (хлебопекарные, пивные, винные, спиртовые, кормовые и др.).

История открытия и изучения

Дрожжи использовались человеком в хлебопечении и виноделии на протяжении тысячелетий, однако их природа долгое время оставалась неизвестной. В 1680 году голландский натуралист Антони ван Левенгук впервые наблюдал клетки дрожжей под микроскопом, описав их как «маленькие шарики».

Научное описание вида было дано в 1837 году немецким учёным Теодором Шванном, который назвал его Zuckerpilz (сахарный гриб). Французский химик Луи Пастер в 1850–1860-х годах доказал, что брожение вызывается живыми микроорганизмами, а не химической реакцией, и связал Saccharomyces cerevisiae с процессами спиртового и молочнокислого брожения. В 1883 году датский микробиолог Эмиль Хансен из лаборатории Карлсберга впервые выделил чистую культуру пивных дрожжей, что положило начало промышленной микробиологии.

В XX веке Saccharomyces cerevisiae стал одним из ключевых модельных организмов. В 1996 году его геном был полностью секвенирован — это был первый эукариотический организм, чей геном был расшифрован. Геном состоит из 16 хромосом и содержит около 6000 генов.

Морфология и физиология

Клетки Saccharomyces cerevisiae имеют округлую или овальную форму, диаметром 5–10 мкм. Они размножаются вегетативно — почкованием: на материнской клетке образуется вырост (почка), который постепенно увеличивается, отделяется перегородкой и превращается в самостоятельную дочернюю клетку. При неблагоприятных условиях (например, при истощении питательной среды) дрожжи могут переходить к половому размножению — образованию аскоспор.

Дрожжи являются факультативными анаэробами: они могут расти как в присутствии кислорода (аэробно), так и без него (анаэробно). В аэробных условиях они окисляют сахара до углекислого газа и воды, получая энергию. В анаэробных условиях запускается процесс спиртового брожения, при котором глюкоза превращается в этанол и углекислый газ. Оптимальная температура роста составляет 25–30 °C, pH — 4,5–6,5.

Применение

Пищевая промышленность

Saccharomyces cerevisiae является основой для производства хлеба, пива, вина, сидра, кваса и крепких спиртных напитков (виски, ром, водка). В хлебопечении дрожжи вызывают брожение теста, выделяя углекислый газ, который разрыхляет его, придавая выпечке пористую структуру. В пивоварении и виноделии дрожжи сбраживают сахара, содержащиеся в сусле или виноградном соке, образуя спирт и ароматические соединения.

Биотехнология и фармацевтика

Saccharomyces cerevisiae широко используется в биотехнологии как продуцент различных веществ. На его основе получают:

• Белки и ферменты (например, инсулин, интерферон, вакцины против гепатита B) — с помощью генной инженерии в клетки дрожжей встраивают гены, кодирующие нужные белки.
• Витамины и пищевые добавки (например, витамины группы B, селен).
• Этанол как биотопливо.

Научные исследования

Saccharomyces cerevisiae является модельным организмом для изучения:

• Клеточного цикла и деления клеток.
• Регуляции экспрессии генов.
• Механизмов старения и апоптоза.
• Действия лекарственных препаратов и токсинов.
• Эволюции эукариот.

Многие фундаментальные процессы, открытые на дрожжах (например, механизм клеточного цикла, за открытие которого Л. Хартвелл, Т. Хант и П. Нерс получили Нобелевскую премию в 2001 году), оказались консервативными и применимыми к клеткам человека.

Штаммы и их особенности

В промышленности и научных лабораториях используются сотни штаммов Saccharomyces cerevisiae. Основные группы:

Интересные факты

• Saccharomyces cerevisiae способен выживать в условиях космоса: в 2019 году на Международной космической станции были проведены эксперименты по изучению его роста в условиях микрогравитации.
• Дрожжи этого вида используются в производстве пищевых добавок (например, дрожжевого экстракта) и кормов для животных.
• В 2014 году группа учёных создала синтетическую хромосому Saccharomyces cerevisiae — первый в мире искусственный геном эукариотического организма.
• Некоторые штаммы Saccharomyces cerevisiae могут вызывать оппортунистические инфекции у людей с ослабленным иммунитетом, однако для здорового человека они безопасны.

Источники

• Barnett, J. A. (2003). A history of research on yeasts. Yeast, 20(6), 509–543.
• Goffeau, A., et al. (1996). Life with 6000 genes. Science, 274(5287), 546–567.
• Walker, G. M. (1998). Yeast Physiology and Biotechnology. John Wiley & Sons.
• Kurtzman, C. P., Fell, J. W., & Boekhout, T. (2011). The Yeasts: A Taxonomic Study. Elsevier.
• Большая советская энциклопедия. Дрожжи. — М.: Советская энциклопедия, 1969–1978.