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

Nel mondo microscopico del lievito, un fungo unicellulare utilizzato da millenni per impastare il pane e produrre birra, la sopravvivenza è una costante negoziazione con l'ambiente. Quando il cibo è abbondante, queste cellule crescono e si dividono rapidamente, ma questa abbondanza comporta un costo nascosto. Alte concentrazioni di zucchero, pur alimentando la crescita, possono in realtà accelerare il processo di invecchiamento, causando la morte delle cellule prima di quanto avverrebbe in un ambiente più moderato. Questo fenomeno è noto come invecchiamento cronologico, che misura quanto tempo una cellula può sopravvivere dopo aver smesso di dividersi ed essere entrata in uno stato di riposo. Per i produttori industriali, questo è un collo di bottiglia critico; se il lievito muore troppo velocemente durante la fermentazione di miscele ad alto contenuto di zucchero, la resa di birra, vino o biocarburante diminuisce e la consistenza del prodotto ne risente. Gli scienziati sanno da tempo che le cellule di lievito possono adattarsi a condizioni difficili nel tempo, ma i modi specifici in cui riconfigurano il loro macchinario interno per sopravvivere a un costante flusso di zucchero pur rimanendo in vita per periodi più lunghi sono rimasti in gran parte un mistero.

Un team di ricercatori della Shanghai Jiao Tong University si è posto l'obiettivo di risolvere questo enigma costringendo il lievito a evolversi in condizioni estreme. Sono partiti da un ceppo di lievito standard da laboratorio e lo hanno posto in un ambiente liquido contenente una quantità massiccia di glucosio — 300 grammi per litro, una concentrazione molto più alta di quella che si trova tipicamente in natura o nei serbatoi di fermentazione standard. Per accelerare il processo evolutivo, non si sono limitati ad aspettare che si verificassero mutazioni naturali; hanno anche introdotto un agente chimico che ha delicatamente rimescolato il DNA del lievito, creando una vasta gamma di cambiamenti genetici. Hanno poi lasciato che queste cellule modificate crescessero per trenta giorni, raccogliendo i sopravvissuti e ripetendo il processo per diverse generazioni. L'obiettivo era semplice: trovare i ceppi che potessero non solo sopravvivere a questo sovraccarico di zucchero, ma anche vivere più a lungo dei loro antenati.

I risultati sono stati sorprendenti. I ceppi di lievito evoluti non si sono limitati a sopravvivere; sono prosperati in modi in cui il ceppo originale non poteva fare. Quando i ricercatori hanno testato quanto tempo potessero vivere questi nuovi ceppi nell'ambiente ad alto contenuto di zucchero, hanno scoperto che le cellule evolute rimanevano in vita per periodi significativamente più lunghi. Fondamentalmente, questa vita prolungata non è avvenuta a scapito della velocità. Una teoria comune in biologia suggerisce che gli organismi vivano più a lungo semplicemente perché crescono più lentamente, scambiando la velocità con la resistenza. Tuttavia, questi nuovi ceppi di lievito hanno smentito tale idea. Crescevano con la stessa velocità del ceppo originale, ma si riprendevano dallo shock di essere stati spostati su cibo fresco molto più velocemente e mantenevano la loro vitalità per giorni in più. Avevano trovato un modo per essere sia veloci che longevi, una combinazione altamente desiderabile per le applicazioni industriali.

Per capire come queste minuscole cellule abbiano compiuto questa impresa, i ricercatori hanno guardato dentro di esse, leggendo le istruzioni che le cellule usavano per costruire proteine e i sottoprodotti chimici che producevano. Hanno scoperto che i diversi gruppi di lievito evoluto hanno intrapreso percorsi molto diversi per raggiungere lo stesso traguardo. Un gruppo di ceppi si è concentrato sull'ottimizzazione di come costruivano le loro fabbriche di produzione proteica, diventando essenzialmente più efficienti nell'uso delle proprie risorse. Un altro gruppo ha rafforzato i propri sistemi di manutenzione interna, migliorando il modo in cui puliva le proteine danneggiate e riparava le proprie membrane cellulari. Un terzo gruppo ha completamente riorganizzato il proprio metabolismo energetico centrale, cambiando il modo in cui elaborava lo zucchero e generava energia. Nonostante queste strategie così diverse, i ricercatori hanno trovato un sorprendente punto di accordo nella chimica profonda delle cellule.

Sebbene le istruzioni per costruire le cellule apparissero diverse tra i vari gruppi, i cambiamenti chimici effettivi all'interno di esse convergevano su un singolo, specifico percorso: il metabolismo del triptofano. Il triptofano è un amminoacido, un mattone fondamentale per le proteine, ma funge anche da precursore per altre molecole vitali. In tutti i ceppi longevi, i ricercatori hanno osservato un cambiamento coordinato nel modo in cui il triptofano veniva scomposto. Questo processo ha portato a cambiamenti nei livelli di diverse sostanze correlate, inclusi composti che aiutano a mantenere l'equilibrio energetico della cellula e a proteggerla dallo stress ossidativo. Sembra che non importa quale rotta il lievito abbia preso per evolversi — che si tratti di regolare la produzione di proteine, potenziare la manutenzione o riconfigurare il flusso energetico — tutti siano finiti per regolare questo specifico percorso chimico per estendere la propria vita.

Questa scoperta suggerisce che la natura possieda una gerarchia per risolvere il problema dell'invecchiamento sotto stress. Esiste una base condivisa, probabilmente legata a come la cellula gestisce il proprio macchinario di produzione proteica, sulla quale possono essere costruiti diversi percorsi evolutivi. Questi percorsi possono apparire molto diversi in superficie, ma tutti convergono verso una soluzione metabolica comune centrata sul triptofano e sulle molecole energetiche che esso aiuta a creare. Per gli scienziati, questo fornisce una mappa chiara per il futuro. Invece di tirare a indovinare quali geni modificare per creare un lievito industriale migliore, ora hanno un bersaglio metabolico specifico. Progettando ceppi di lievito per ottimizzare questo percorso del triptofano, o aggiungendo nutrienti specifici che lo supportino, i produttori potrebbero potenzialmente creare colture di fermentazione che siano più robuste, durino più a lungo e producano rese più elevate negli ambienti ad alto contenuto di zucchero tipici della moderna produzione alimentare e di combustibile. Lo studio non afferma di aver risolto interamente il problema dell'invecchiamento, ma ha identificato un meccanismo condiviso e affidabile che permette alla vita di persistere anche quando l'ambiente è schiaccianteamente dolce.