Результаты, опубликованные в журнале с открытым доступом eLife, могут привести к созданию новых биотехнологических производственных систем, основанных на метаболическом сотрудничестве. Их также можно использовать для подавления роста клеток, блокируя обмен метаболитов между клетками. Это может быть новая стратегия борьбы с грибковыми патогенами или опухолевыми клетками.
«Обнаруженное нами взаимодействие клеток играет важную роль в том, что дрожжи помогают нам производить пищу, пиво и вино», — говорит первый автор Кейт Кэмпбелл.
"Это также может иметь решающее значение для всей эукариотической жизни, включая животных, растения и грибы."
Человечество тысячелетиями использовало метаболизм дрожжей для пивоварения и выпечки.
Дрожжи метаболизируют сахар и выделяют широкий спектр небольших молекул в течение своего жизненного цикла, от спиртов и углекислого газа до антиоксидантов и аминокислот. Хотя многие исследования показали, что дрожжи являются надежной метаболической рабочей лошадкой, только недавно стало ясно, что эти одноклеточные организмы собираются в сообщества, в которых отдельные клетки могут выполнять специализированную функцию.
В новом исследовании, финансируемом Wellcome Trust и European Research Council, исследователи из Кембриджского университета и Института Фрэнсиса Крика обнаружили, что клетки очень эффективны при обмене некоторыми из своих основных строительных блоков (аминокислот и азотистых оснований, таких как A, T, G и C составляющие ДНК) в том, что они называют метаболическим взаимодействием. Однако они не поступают так со всеми типами дрожжевых клеток: они делятся питательными веществами с клетками, происходящими от одного и того же предка, но не с другими клетками того же вида, когда они происходят из другого сообщества.
Используя подход синтетической биологии, команда во главе с доктором Маркусом Ралсером из Департамента биохимии начала с метаболически компетентной материнской дрожжевой клетки, генетически модифицированной таким образом, что ее дочери постепенно теряют важные метаболические гены. Они использовали его для выращивания популяции дрожжей в нескольких поколениях, которые в конечном итоге испытывали дефицит различных питательных веществ.
Затем Кэмпбелл проверил, могут ли клетки, лишенные метаболического гена, выжить, делясь питательными веществами с членами своей семьи. Живя в рамках своего сообщества, эти клетки могли продолжать расти и выживать. Это означало, что клетки поддерживались соседними клетками, у которых сохранялась их метаболическая активность, обеспечивая им столь необходимый запас питательных веществ. В конце концов, в колонии сложился состав, в котором большинство клеток действительно помогали друг другу.
Когда были введены клетки того же вида, но происходящие из другого сообщества, социальные взаимодействия не устанавливались, и чужеродные клетки умирали от голода.
Когда успешное сообщество сравнивали с другими штаммами дрожжей, у которых не было метаболических нарушений, исследователи не обнаружили явных различий в том, как оба сообщества росли и производили биомассу. Это означает, что совместное использование было настолько эффективным, что любой недостаток был устранен.
Следовательно, последствия этих результатов могут быть существенными для отраслей, в которых дрожжи используются для производства представляющих интерес биомолекул. Это включает биотопливо, вакцины и пищевые добавки.
Исследование также может помочь в разработке терапевтических стратегий против патогенных грибов, таких как дрожжевые грибки Candida albicans, которые образуют кооперативные сообщества для преодоления нашей иммунной системы.