Rethinking aerobic glucose metabolism in Saccharomyces cerevisiae: is glucose completely fermented to ethanol at high concentrations?
Dit artikel daagt de traditionele visie uit dat het aerobe glucosemetabolisme in *Saccharomyces cerevisiae* bij hoge glucoseconcentraties gepaard gaat met gelijktijdige directe respiratie en fermentatie, stelt in plaats daarvan voor dat glucose aanvankelijk volledig wordt gefermenteerd tot ethanol met daaropvolgende ethanoloxidatie, en schetst een kwantitatief isotoop-tracing experimenteel ontwerp om deze hypothese te testen.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van een preprint die niet peer-reviewed is. Dit is geen medisch advies. Neem geen gezondheidsbeslissingen op basis van deze inhoud. Lees de volledige disclaimer
Al eeuwenlang hebben biologen toegezien hoe een kleine, eencellige schimmel genaamd Saccharomyces cerevisiae een vreemde truc uitvoert. Wanneer deze gist, dezelfde organisme die wordt gebruikt voor het bakken van brood en het brouwen van bier, in een tank vol suiker wordt geplaatst en voldoende zuurstof krijgt, doet het iets onverwachts. In plaats van de zuurstof te gebruiken om de suiker schoon te verbranden voor maximale energie, haast de gist zich om de suiker in alcohol te veranderen. Dit gedrag, bekend als het Crabtree-effect, wordt al lang begrepen als een compromis. De standaardvisie is dat de gist twee dingen tegelijkertijd doet: het fermenteert een deel van de suiker tot alcohol, terwijl het tegelijkertijd een apart deel van diezelfde suiker met zuurstof verbrandt om te groeien. Men dacht dat de suiker precies in het midden werd gesplitst, waarbij de helft naar fermentatie ging en de andere helft naar respiratie.
Deze vraag is belangrijk omdat het begrijpen van hoe gist suiker eet, wetenschappers helpt om fermentatie in de industrie te controleren en te begrijpen hoe cellen energie beheren. Als de gist de suikervoorraad werkelijk splitst tussen twee verschillende paden, ziet de wiskunde van het proces er op één manier uit. Maar als de gist eigenlijk een andere route neemt, verandert het hele beeld van zijn metabolisme. Het centrale mysterie is of de zuurstof die de gist consumeert wordt gebruikt om de suiker direct te verbranden, of of de zuurstof wordt gebruikt om iets anders te verbranden dat de gist eerst van de suiker heeft gemaakt.
Een onderzoeker genaamd David Barreras Martínez heeft nauwgezet gekeken naar oude gegevens van experimenten waarbij gist werd gekweekt in tanks met hoge concentraties suiker. Hij merkte iets op dat het standaardmodel moeilijk kan verklaren. In deze experimenten begon de gist met twintig gram suiker per liter vloeistof. Terwijl de gist de suiker at, produceerde het bijna tien gram alcohol per liter. Dit getal is niet willekeurig; het is bijna exact de maximale hoeveelheid alcohol die kan worden gemaakt als elke enkele molecuul suiker wordt omgezet in alcohol en koolstofdioxide. Als de gist de suiker werkelijk een aanzienlijk deel direct met zuurstof zou verbranden, zoals het traditionele model suggereert, zou er minder suiker overblijven om alcohol te maken, en zou het uiteindelijke alcoholgehalte merkbaar lager zijn. Het feit dat de alcoholopbrengst zo dicht bij het theoretische maximum lag, suggereert dat de gist de suiker misschien helemaal niet direct verbrandt.
In plaats van aan te nemen dat de suiker wordt gesplitst, stelt Barreras een andere opeenvolging van gebeurtenissen voor. Hij suggereert dat wanneer suiker overvloedig aanwezig is, de gist bijna alle suiker eerst via het fermentatiepad stuurt, waardoor het volledig in alcohol en koolstofdioxide wordt omgezet. De zuurstof die de gist consumeert tijdens deze tijd, betoogt hij, is niet bedoeld om de suiker te verbranden. In plaats daarvan neemt de gist onmiddellijk de alcohol die het zojuist heeft gemaakt en verbrandt die. In dit visie is het proces geen splitsing, maar een estafette. De suiker loopt de eerste etappe door in alcohol en koolstofdioxide te veranderen, en daarna rent die alcohol de tweede etappe om voor energie te worden verbrand. Dit zou verklaren waarom zuurstof wordt gebruikt terwijl er nog steeds suiker aanwezig is en alcohol wordt geproduceerd. De gist verbrandt niet de suiker direct; het verbrandt de alcohol die het van de suiker heeft gemaakt.
Om dit te bewijzen, schetst de onderzoeker een plan om een speciaal soort suiker te gebruiken dat fungeert als een tracer. Stel je voor dat je de gist voert met suiker waarbij elke atoom een iets zwaardere versie is van de normale soort, een versie die kan worden gevolgd als een gloeiende tag. Als het traditionele model correct is, zou deze getagde suiker in de alcohol verschijnen, maar het zou ook onmiddellijk verschijnen in de bijproducten van de verbranding, omdat een deel van de suiker direct wordt verbrand. Als Barreras' nieuwe idee correct is, zal de getagde suiker bijna volledig eerst in de alcohol verschijnen. De getagde koolstof zou pas in de bijproducten van de verbranding verschijnen, nadat het is omgezet in alcohol en vervolgens is verbrand.
Het artikel suggereert ook een tweede experiment om het idee te testen dat de gist zijn eigen alcohol verbrandt terwijl suiker nog aanwezig is. In deze test zouden wetenschappers de gist normale suiker voeren, maar een kleine hoeveelheid getagde alcohol toevoegen. Als de gist werkelijk alcohol verbrandt terwijl suiker aanwezig is, zou de getagde alcohol verdwijnen en veranderen in koolstofdioxide en andere producten van verbranding, zelfs terwijl de normale suiker nog in de tank ligt. Dit zou bevestigen dat de gist in staat is om over te schakelen naar het verbranden van zijn eigen afvalproduct zonder te wachten tot de suiker op is.
Barreras benadrukt voorzichtig dat dit een hypothese is die getest moet worden, en geen bewezen feit. De observaties die de aanleiding gaven tot het idee, komen voort uit eerdere experimenten die niet waren ontworpen om atomen op deze specifieke manier te volgen. De gegevens laten zien dat de alcoholniveaus hoog zijn, wat past bij het nieuwe idee, maar het bewijst nog niet het pad dat de koolstof heeft afgelegd. De auteur voert aan dat de oude manier van kijken naar de gegevens, die ervan uitgaat dat er een splitsingspad is, mogelijk de ware opeenvolging van gebeurtenissen verbergt. Door deze nieuwe traceermethoden te gebruiken, kunnen wetenschappers eindelijk zien of de gist zijn suiker splitst of dat het een sequentieel pad neemt, waarbij het suiker naar alcohol omzet en vervolgens de alcohol verbrandt. Het antwoord zou de manier waarop we de energiekeuzes van een van de meest bestudeerde organismen op aarde begrijpen, veranderen.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.