Identification of longevity strains of Saccharomyces cerevisiae under high-glucose conditions

In der mikroskopischen Welt der Hefe, einem einzelligen Pilz, der seit Jahrtausenden zum Backen von Brot und Brauen von Bier verwendet wird, ist das Überleben ein ständiges Aushandeln mit der Umgebung. Wenn Nahrung im Überfluss vorhanden ist, wachsen und teilen sich diese Zellen schnell, doch dieser Überfluss bringt einen verborgenen Preis mit sich. Hohe Zuckerkonzentrationen können, während sie das Wachstum fördern, den Alterungsprozess tatsächlich beschleunigen und dazu führen, dass die Zellen früher absterben, als sie es in einer moderateren Umgebung tun würden. Dieses Phänomen ist als chronologische Alterung bekannt und misst, wie lange eine Zelle überleben kann, nachdem sie aufgehört hat, sich zu teilen, und in einen Ruhezustand übergegangen ist. Für industrielle Produzenten ist dies ein kritischer Engpass; wenn die Hefe während der Fermentation von zuckerreichen Mischungen zu schnell abstirbt, sinkt der Ertrag von Bier, Wein oder Biokraftstoff, und die Konsistenz des Produkts leidet. Wissenschaftler wissen schon lange, dass Hefezellen sich im Laufe der Zeit an harte Bedingungen anpassen können, aber die spezifischen Wege, auf denen sie ihre interne Maschinerie umprogrammieren, um eine ständige Flut von Zucker zu überstehen und gleichzeitig länger am Leben zu bleiben, sind weitgehend ein Rätsel geblieben.

Ein Forschungsteam der Shanghai Jiao Tong University machte sich daran, dieses Rätsel zu lösen, indem es Hefe unter extremen Bedingungen zur Evolution zwang. Sie begannen mit einem Standard-Laborstamm der Hefe und setzten ihn in eine Flüssigkeitsumgebung mit einer massiven Menge an Glukose – 30 00er Gramm pro Liter, eine Konzentration, die weit über dem liegt, was normalerweise in der Natur oder in Standard-Fermentationsbehältern zu finden ist. Um den Evolutionsprozess zu beschleunigen, warteten sie nicht nur darauf, dass natürliche Mutationen auftraten; sie führten auch ein chemisches Agens ein, das die DNA der Hefe sanft durcheinanderbrachte und so eine große Vielfalt an genetischen Veränderungen erzeugte. Dann ließen sie diese modifizierten Zellen dreißig Tage lang wachsen, ernteten die Überlebenden und wiederholten den Prozess über mehrere Generationen hinweg. Das Ziel war einfach: Stämme zu finden, die nicht nur diese Zuckerüberladung überleben konnten, sondern auch länger lebten als ihre Vorfahren.

Die Ergebnisse waren bemerkenswert. Die evolvierten Hefestämme überlebten nicht nur; sie gediehen auf eine Weise, die der ursprüngliche Stamm nicht leisten konnte. Als die Forscher testeten, wie lange diese neuen Stämme in der zuckerreichen Umgebung leben konnten, stellten sie fest, dass die evolvierten Zellen signifikant längere Zeiträume lang am Leben blieben. Entscheidend war, dass dieses verlängerte Leben nicht auf Kosten der Geschwindigkeit ging. Eine gängige Theorie in der Biologie besagt, dass Organismen länger leben, weil sie langsamer wachsen – sie tauschen Geschwindigkeit gegen Ausdauer ein. Diese neuen Hefestämme widerlegten jedoch diese Idee. Sie wuchsen genauso schnell wie der ursprüngliche Stamm, aber sie erholten sich viel schneller vom Schock, in frische Nahrung versetzt worden zu sein, und bewahrten ihre Vitalität über Tage länger. Sie hatten einen Weg gefunden, sowohl schnell als auch langlebig zu sein, eine Kombination, die für industrielle Anwendungen höchst wünschenswert ist.

Um zu verstehen, wie diese winzigen Zellen diese Leistung erbrachten, blickten die Forscher in ihr Inneres und lasen die Anweisungen, die die Zellen nutzten, um Proteine zu bauen, sowie die chemischen Nebenprodukte, die sie produzierten. Sie entdeckten, dass die verschiedenen Gruppen der evolvierten Hefe sehr unterschiedliche Wege einschlugen, um dasselbe Ziel zu erreichen. Eine Gruppe von Stämmen konzentrierte sich darauf, die Bauweise ihrer Protein-produzierenden Fabriken zu optimieren, was sie im Wesentlichen effizienter bei der Nutzung ihrer Ressourcen machte. Eine andere Gruppe stärkte ihre internen Wartungssysteme und verbesserte die Art und Weise, wie sie beschädigte Proteine beseitigte und ihre Zellmembranen reparierte. Eine dritte Gruppe reorganisierte ihren zentralen Energiestoffwechsel vollständig und änderte die Art und Weise, wie sie Zucker verarbeitete und Energie erzeugte. Trotz dieser sehr unterschiedlichen Strategien fanden die Forscher eine überraschende Übereinstimmung tief in der Chemie der Zellen.

Während die Anweisungen für den Aufbau der Zellen zwischen den Gruppen unterschiedlich aussah, konvergierten die tatsächlichen chemischen Veränderungen innerhalb der Zellen auf einen einzigen, spezifischen Pfad: den Stoffwechsel von Tryptophan. Tryptophan ist eine Aminosäure, ein Baustein für Proteine, aber es dient auch als Vorläufer für andere lebenswichtige Moleküle. In allen langlebigen Stämmen beobachteten die Forscher eine koordinierte Verschiebung in der Art und Weise, wie Tryptophan abgebaut wurde. Dieser Prozess führte zu Veränderungen in den Mengen mehrerer verwandter Chemikalien, einschließlich Verbindungen, die helfen, das Energiegleichgewicht der Zelle aufrechtzuerhalten und sie vor oxidativem Stress zu schützen. Es scheint, dass egal, welchen Weg die Hefe zur Evolution nahm – ob durch die Feinabstimmung der Proteinproduktion, die Stärkung der Wartung oder die Umgestaltung des Energieflusses –, sie alle diesen spezifischen chemischen Pfad anpassten, um ihr Leben zu verlängern.

Diese Entdeckung legt nahe, dass die Natur eine Hierarchie für die Lösung des Problems des Alterns unter Stress besitzt. Es gibt eine gemeinsame Basis, die wahrscheinlich das Management der Protein-bauenden Maschinerie der Zelle betrifft, auf der verschiedene evolutionäre Pfade aufgebaut werden können. Diese Pfade mögen an der Oberfläche sehr unterschiedlich aussehen, aber sie münden alle in eine gemeinsame metabolische Lösung, die im Zentrum des Tryptophans und der durch es geschaffenen Energiemoleküle liegt. Für die Wissenschaftler bietet dies eine klare Landkarte für die Zukunft. Anstatt zu raten, welche Gene editiert werden müssen, um bessere industrielle Hefen herzustellen, haben sie nun ein spezifisches metabolisches Ziel. Indem sie Hefestämme entwickeln, die diesen Tryptophan-Pfad optimieren, oder indem sie spezifische Nährstoffe hinzufügen, die ihn unterstützen, könnten Produzenten potenziell Fermentationskulturen erschaffen, die robuster sind, länger halten und höhere Erträge in den zuckerreichen Umgebungen liefern, die typisch für die moderne Lebensmittel- und Kraftstoffproduktion sind. Die Studie behauptet nicht, das Problem des Alterns vollständig gelöst zu haben, aber sie hat einen zuverlässigen, gemeinsamen Mechanismus identifiziert, der das Leben selbst dann fortbestehen lässt, wenn die Umgebung überwältigend süß ist.