Дріжджі Saccharomyces cerevisiae.
Температура 30-33 ° С оптимальна для розмноження дріжджів, але тільки в тому випадку, якщо її підтримувати постійно. Експериментально показано, що підвищення температури до сверхоптімальной (37,5-40 ° С) стимулює прискорене розмноження дріжджів, якщо до цього вони жили при більш низькій температурі (14-30 ° С). При тривалому впливі підвищеної температури дріжджі втрачають терморезистентность, однак здатні відновити її за все за одне покоління при 20 ° С. Мабуть, це властивість є адаптацією до добових коливань температури в природі. Передбачається, що механізм, що дозволяє дріжджів проявляти терморезистентность, локалізована в клітинній мембрані і його функціонування залежить від енергетичної та хеміосмотіческой систем клітин.
Дріжджі Saccharomyces cerevisiae застосовуються у виробництві алкогольної і хлібопекарської продукції, також вони широко використовуються в наукових дослідженнях. Так, S. Cerevisiae стали першими еукаріотамі, чий геном був повністю секвенирован. Цей же вид послужив одним з модельних об'єктів при вивченні здатності мікроорганізмів до випереджаючого реагування, тобто до передбачення зміни умов навколишнього середовища (див. У мікробів виявлена здатність до передбачення. «Елементи», 23.06.09). На культурі S. Cerevisiae ведуться дослідження механізмів експресії генів, ролі білків теплового шоку і багато інших.
Дріжджі S. Cerevisiae в природі мешкають на поверхні пошкоджених солодких і соковитих плодів, в нектарі квітів або в місцях закінчення рослинних соків. Протягом доби температура природного місця існування дріжджів піддається різким коливанням. Природно припустити, що в процесі еволюції дріжджі повинні були добре пристосуватися до таких перепадів.
У першій серії дослідів 12 поколінь дріжджів вирощували в насиченою поживними речовинами середовищі при оптимальній кислотності (pH = 4) і постійній температурі. Різні піддослідні популяції містилися при температурах від 14 до 40 ° С, що приблизно відповідає діапазону температурних коливань в природних умовах проживання в літній період. Швидше за все дріжджі розмножувалися при 30-33 ° С (табл. 1).
Температура культивування, о С
Час генерації клітин
(Час подвоєння числа клітин), ч
Питома швидкість росту, μ, ч -1
Таблиця 1. Швидкість розмноження дріжджів при постійній температурі (з обговорюваної статті В.А.Калюжіна)
Наступна серія експериментів - вирощування культур спочатку при низькій температурі t1. а потім при більш високій t2 (інші умови не змінювалися) - показала, що при переходах t1 → t2 в діапазоні t2 від 20 до 36 ° С швидкість розмноження дріжджів досягає значення, зазначеного при культивуванні в стаціонарному режимі при температурі t2. в першому ж поколінні (табл. 2). Однак при підвищенні температури до сверхоптімальной (37,5-40 ° С) швидкість розмноження дріжджів значно зростала в порівнянні з культурами стаціонарних температур початкового і кінцевого режимів (при 40-45 ° С клітини все ж швидко гинули). Клітини були здатні підтримувати високий темп поділу при сверхоптімальной температурі t2 протягом 4-6 годин (2-4 поколінь). Після цього швидкість розмноження знижувалася до того рівня, який характерний для дріжджів, що вирощуються при постійній температурі t2.
Час генерації клітин
(Час подвоєння числа клітин) при t2. ч
Зупинка розмноження дріжджів
Таблиця 2. Швидкість розмноження дріжджів при переході від низьких до високих температур. Римськими цифрами показаний порядковий номер покоління, починаючи з моменту підвищення температури (з обговорюваної статті В.А.Калюжіна)
Таким чином, перехід до підвищених температур стимулював прискорене розмноження дріжджів, що колись жили в більш прохолодних умовах. В.А. Калюжин називає дане властивість терморезистентность і вважає, що це адаптація, що дозволяє дріжджів в природі благополучно пережити період післяполудневого максимуму температур.
Дріжджі протягом 12 поколінь вирощували при 37,5 ° С (час однієї генерації - 5 годин, див. Табл. 1). Потім температуру знижували до 20 ° С (час однієї генерації також 5 годин), витримували протягом різних періодів часу і знову підігрівали до 37,5 ° С. Виявилося, що досить 4-6 годинного перебування культури в прохолоді, щоб час першої генерації при підвищенні температури склало 2,6 години - як при переході 20 → 37,5 ° С (табл. 2). Отже, для приведення системи терморезистентності в повну «бойову готовність» дріжджів необхідно 4-6 годин перебування при низькій температурі. Це можна порівняти з тривалістю і величиною нічного зниження температури в природі, тобто вночі дріжджі встигають сформувати терморезистентность, яка реалізується днем.
Можливий біохімічний механізм системи терморезистентності вивчався шляхом створення дефіциту в живильному середовищі різних речовин (глюкози, солей азоту, фосфору, калію, магнію, а також бета-аланіну і дестіобіотіна - чинників зростання рослинного походження, які потрібні дріжджів для нормального розвитку).
З'ясувалося, що культури дріжджів, лімітовані глюкозою, фосфором або калієм, припиняли зростання при 37,5оС вже в першому поколінні. Решта речовини ніяк не впливали на стійкість до високих температур. Виходячи з цього, В.А. Калюжин припустив, що термостійкість залежить в основному від біоенергетичних функцій клітини. Згідно хеміосмотіческой теорії П.Д. Мітчела (див. В.П. Скулачев. Мітчел і його здогад), запасання енергії клітиною (синтез АТФ) можливо завдяки створенню різниці концентрацій іонів H + в двох відсіках системи, розділених мембраною. Іони K + забезпечують можливість транспорту іонів водню через мембрану (служать антипорта для іонів H +. Вихід К + в обмін на Н +. Див. Антонов В.Ф. Мембранний транспорт). Глюкоза є основним і найбільш універсальним джерелом енергії для забезпечення метаболічних процесів (див. Лемеза Н.А. та ін. Енергетичний обмін). Фосфор також необхідний для синтезу АТФ. Таким чином, отримані результати непогано узгоджуються з припущенням про те, що термостійкість дріжджів пов'язана з активністю хеміосмотіческой біоенергетичної системи. У додаткових дослідах було встановлено, що при додаванні глюкози і фосфору до лімітованих за цими параметрами культурам дріжджі відновлювали втрачене властивість терморезистентності.
Для підтвердження ролі біоенергетичної системи в забезпеченні терморезистентності були проведені досліди з 2,4-Дінітрофенол (ДНФ), який пригнічує фосфорилювання. тобто синтез АТФ з АДФ і фосфату. У присутності ДНФ зростання дріжджів припинявся в першу годину після підвищення температури до 37,5 ° С, однак після видалення ДНФ терморезистентность відновлювалася.
При закислення середовища (до pH 2,35) дріжджі також припиняли розмножуватися в першу годину після підвищення температури до 37,5 ° С і знову починали при підвищенні pH до 4.
В.А. Калюжин вважає, що оскільки «pH фактор впливає в основному на хеміосмотіческой систему плазмолеми клітини, ... ДНФ пригнічує не тільки систему, розташовану в плазмалемме, але і мітохондральной комплекс хеміосмотіческой системи», то «прояв терморезистентності здійснюється за рахунок активності хеміосмотіческой енергетичної системи, локалізованої в плазмалемме дріжджової клітини ».
Таким чином, терморезистентность дріжджів, що є адаптацією до добових коливань температури в природних умовах, формується в період зниження температури і залежить в основному від активності хеміосмотіческой енергетичної системи.
Описане властивість терморезистентності може бути використано в прикладної біотехнології для управління швидкістю зростання дріжджів і, ймовірно, інших культур за допомогою температурного чинника.