2. Історія дослідження дріжджів

Термін "дріжджі" у повсякденній мові є синонімом для пекарських (пивних) дріжджів Saccharomyces сerevisiae. Назва цього виду запропонована німецьким мікологом Й.Ф. Мейеном в 1837 році для штаму дріжджів, який був виявлений в солоді (з лат. родова назва Saccharomyces – цукрова цвіль та видова назва від лат. cervisiam – пиво). Ймовірно, дріжджі є найстарішим одомашненим організмом. Тисячі років вони емпірично використовувались людьми для ферментації та випічки. Дріжджі живуть на субстратах, збагачених вуглеводами, і використовувалися для пивоваріння в Шумері та Вавілоні ще 6000 до н.е. Паралельно, штами S. cerevisiae використовувалися при вирощуванні винограду в Грузії і для закваски тіста в Єгипті.

Унікальні властивості дріжджів S. cerevisiae і їхній величезний прихований потенціал, який експлуатується протягом багатьох тисяч років, зробили їх кращим організмом-еукаріотом для наукових досліджень. Окрім того, S. cerevisiae та інші види дріжджів знайшли величезне промислове і медичне застосування.

Основні етапи дослідження дріжджів

6000 р. до н.е. – пивоваріння в Шумері, Єгипті

1000 р. до н.е. – споживання напоїв з перегнаного спирту в Китаї

1192 р. до н.е. – виробництво віскі в Ірландії

1200-1300 рр. – поширення пивоваріння у Північній Європі

1680 – дріжджі під мікроскопом (Антоні ван Левенгук)

1832 –Х.Г. Персоон, Е.М. Фріс встановили належність дріжджів до грибів

1837 – Й.Ф. Мейен дав пивним дріжджам назву Saccharomyces cerevisiae

1832 – Теодор Шванн описав спори дріжджів

1863 – Луї Пастер встановив роль дріжджів у спиртовому бродінні

1866 – А. де Барі описав життєвий цикл дріжджів

1881 – Еміль Хрістіан Хансен отримав чисті культури дріжджів

1896 – Е.Х. Хансен опублікував наукову класифікацію дріжджів

1897 – Е. Бюхнер повідомив про здатність безклітинних дріжджових екстрактів здійснювати бродіння

1915 – утворення гліцеролу дріжджами

1934 – Г.У. Вінг виявив чергування галоїдної та диплоїдної фаз у життєвому циклі дріжджів

1935 – К.К. Ліндгрен виявив гетероталізм у Saccharomyces

1945 – перша генетична карта дріжджів (К.К. Ліндгрен)

1930-1960 – таксономія дріжджів (А.Я. Клюйвер)

1966 – структура першої тРНК з дріжджів

1978 – здійснення першої трансформації дріжджів

1990-1994 – перші комерційні фармацевтичні препарати з дріжджів (вакцина проти гепатиту Б)

1990-1996 – дріжджі Saccharomyces cerevisiae стали першим еукаріотичним організмом, чий геном був секвенований

2002 – секвенування геному дріжджів Schizosaccharomyces pombe

Друга пол XX cт. – поч. ХХІ ст. – широке використання дріжджів у молекулярній біотехнології, як модельного об’єкту для вивчення старіння, апоптозу, стресової відповіді та захворювань людини.

3. Дріжджі як експериментальна система в біологічних дослідженнях

Кілька видів дріжджів, зокрема S. cerevisiae, широко використовуються як модельні об’єкти у генетиці та клітинній біології. Це значною мірою зумовлено тим, що клітинний цикл та фізіологічні процеси клітин дріжджів дуже подібні до відповідних процесів людських клітин, і тому основні клітинні механізми – реплікація ДНК, рекомбінація, поділ клітини і метаболізм мають багато спільних рис. Починаючи з 1960 року, S. cerevisiae були введені як експериментальна система для молекулярної біології. У 1996 р. S. cerevisiae стали першим еукаріотичним організмом, чий геном був повністю секвекнований. У 2002 році розшифровано геном Schizosaccharomyces pombe, іншого популярного модельного виду дріжджів у молекулярній біології. У наступні роки дріжджі стали використовуватися для пошуку та порівняння гомологічних нуклеотидних послідовностей на ДНК людини, тварин та рослин. Окрім того, простота генетичних маніпуляцій з дріжджами відкрила можливість функціонально препарувати генні продукти від інших еукаріотів в системі дріжджів. Вже в 1980 році дріжджі стали використовувати для отримання вакцини проти гепатиту Б. У постгеномній ері дріжджі знову знаходяться на передових позиціях функціональної геноміки.

Серед всіх еукаріотичних модельних організмів, дріжджі мають кілька переваг:

1) Дріжджі є одночасно клітинною та організменною еукаріотичною модельною системою.

2) Дріжджі легко культивуються і не потребують значних матеріальних затрат. Це одноклітинний організм, який, на відміну від більш складних еукаріотів, можна вирощувати на визначених середовищах, даючи досліднику повний контроль над зовнішніми умовами.

3) Клітинний цикл клітин дріжджів подібний до клітинного циклу вищих еукаріотів і регулюється гомологічними білками. Час генерації клітин дріжджів – 80-90 хв, клітини мають нетривалий життєвий цикл (до 2 місяців), що є важливим аргументом при вивченні процесів старіння та тривалості життя.

4) Геном дріжджів відносно невеликий, повністю секвенований і має високий ступінь гомології з геномом вищих еукаріотів, що дозволяє екстраполювати дані, отримані на клітинах дріжджів, на клітини інших еукаріотичних організмів, зокрема людини. Так, для близько 20% генів, порушення в яких викликають патології та захворювання у людини, виявлені гомологи у геномі дріжджів. Ступінь гомології геному людини і дріжджів становить близько11%. Для прикладу, високо-консервативний сигнальний шлях TOR вперше був описаний у S. сerevisiae.

5) Використання біохімічних підходів дозволяє докладно вивчити функції окремих генів (білків) у дріжджів. Велика кількість прикладів свідчить про те, що істотні клітинні функції є висококонсервативними від дріжджів до ссавців, і що відповідні гени часто можуть комплементувати один одного. Так, до прикладу, експресія проапоптичних білків ссавців викликає апоптотичні зміни у клітинах дріжджах.

6) На дріжджах можна застосувати класичні генетичні підходи. На відміну від інших мікроорганізмів, дріжджі можуть стабільно існувати в гаплоїдній та диплоїдній фазах. Це дозволяє легко ізолювати рецесивні мутації. На сьогодні створена велика кількість мутантних штамів дріжджів, дефектних за багатьма генами, що дозволяє ідентифікувати роль окремих генів у функціонуванні організму за фізіологічних та несприятливих умов.

7) У зв’язку з широким промисловим використанням, детально вивчені молекулярно-біохімічні аспекти відповіді дріжджів на дію різних стресів.

8) Створені бази даних щодо геному та білків дріжджів, частина з яких є у вільному он-лайн доступі (http://genome-www.stanford.edu/, http://www.mips.biochem.mpg.de/)