Vad är jäst?

Allmänt om introduktion

De flesta av oss vet att jäst är en mycket användbar organism, särskilt när det gäller bakning, vinframställning och bryggning. Men vad är jäst och varför står de i fokus för så mycket forskning?

Introduktion till svampar Credit: Kandis Elliot, Mo Fayyaz, UW-Madison

Jäst är svampar

Jäst är encelliga mikroorganismer som tillsammans med mögelsvampar och svampar klassificeras som medlemmar av kungariket svampar. Jäst är evolutionärt varierande och klassificeras därför i två separata fyla, Ascomycota eller säcksvampar och Basidiomycota eller högre svampar, som tillsammans bildar underriket Dikarya. Knoppjäst, även kallad ”äkta jäst”, tillhör fylum Ascomycota och ordningen Saccharomycetales. Sådana klassificeringar baseras på egenskaper hos cellen, ascosporen och kolonin samt på cellfysiologin.

Jäst är encelliga, men med en cellorganisation som liknar högre organismer

Jäst är encelliga organismer som klassificeras som eukaryoter på grund av närvaron av en kärna som hyser deras genetiska information. Credit: Wikicommons

Trots att jäst är encelliga organismer har de en cellulär organisation som liknar den hos högre organismer, inklusive människor. Mer specifikt finns deras genetiska innehåll i en cellkärna. Detta klassificerar dem som eukaryota organismer, till skillnad från deras encelliga motsvarigheter, bakterier, som inte har någon kärna och anses vara prokaryoter.

Naturliga livsmiljöer

Jäst är vitt utspridda i naturen med en stor variation av livsmiljöer. De finns vanligen på växtblad, blommor och frukter samt i jorden. Jäst finns också på hudens yta och i tarmkanalen hos varmblodiga djur, där de kan leva symbiotiskt eller som parasiter. Den vanliga ”jästinfektionen” orsakas vanligtvis av Candida albicans. Candida är inte bara orsak till vaginala jästinfektioner, utan är också orsaken till blöjutslag och tröst i munnen och halsen.

Varför studera jäst?

Föreställ dig en organism som växer snabbt i en kolv och vars DNA lätt kan manipuleras, men som också ger en inblick i grundläggande biologiska processer hos människan, inklusive sjukdomar. Jäst passar in på den beskrivningen och står i fokus för forskare över hela världen, vilket har resulterat i mer än 50 000 publicerade vetenskapliga artiklar som beskriver jästforskning!

Jäst är vanligt förekommande på vindruvor. Credit: Wikicommons

Vilka specifika egenskaper hos jäst gör den till en ”modellorganism” för studier och fokus för så mycket forskning? Jäst är encelliga (encelliga) organismer, vilket gör dem enkla att studera, men har en cellorganisation som liknar den som finns i högre, flercelliga organismer som människor – det vill säga de har en kärna och är därför eukaryoter, som beskrivits ovan. Viktigast av allt är att likheten i den cellulära organisationen mellan jäst och högre eukaryoter översätts till likheter i deras grundläggande cellulära processer, så upptäckter i jäst ger ofta direkta eller indirekta ledtrådar till hur biologiska processer fungerar hos människor.

Kula och pinne modell av DNA. Credit: Wikicommons

En annan viktig egenskap hos jäst som är avgörande för deras roll som ”modellorganismer” är att de är relativt lätta att arbeta med. Jäst reproduceras snabbt och är lätt att manipulera genetiskt. Fördubblingstiden för jäst (den tid det tar för en cell att duplicera och dela sig själv) är cirka 90 minuter. Däremot behöver mänskliga celler som växer i kultur cirka 24 timmar för att fördubblas. Det finns också väldefinierade genetiska metoder för jäst som gör det möjligt för forskare att enkelt isolera mutanter, korsa dem med andra mutanter eller till andra genetiska bakgrunder och kartlägga genernas placering. Genetiska kartor som konstruerats utifrån det genetiska avståndet mellan generna gav forskarna sin första bild av genomet och dess organisation och var kulmen på genetiska studier som går tillbaka till första halvan av 1900-talet.

En accelererad upptäcktstakt möjliggjordes efter att bagarjästens (S. cerevisiae) genom, som representerar hela dess genetiska material, blev det första eukaryotiska genomet som sekvenserades redan 1996. Det är mindre och mer kompakt än det mänskliga genomet (12 miljoner baspar och ~6 000 gener, jämfört med 3 miljarder baspar och ~20-25 000 proteinkodande gener). Ändå visar jämförelser av genomerna att ~31 % av jästgener är mycket lika mänskliga gener och att 20 % av de mänskliga sjukdomsgenerna har motsvarigheter i jäst. Dessutom kan jästceller existera antingen som haploider (en uppsättning kromosomer) eller diploider (två uppsättningar kromosomer). Eftersom haploider endast har en kopia av varje gen och DNA-strängarna kan brytas och återförenas på ett effektivt sätt (rekombination), är det mycket lätt att ta bort en specifik gen i en haploid och observera effekterna på cellen, eller ”fenotypen” hos den borttagna mutanten. Diploida celler gör det å andra sidan möjligt att studera essentiella gener (de som krävs för tillväxt och livsduglighet) genom att ta bort en kopia av genen och göra subtila förändringar i den andra kopian. Slutligen har man med hjälp av informationen från genomsekvensen byggt upp en omfattande verktygslåda av molekylära reagenser och samlingar som omfattar hela genomet, vilket ger forskarna kraftfulla verktyg för att studera biologiska problem. Om det är känt att en jästgen liknar en mänsklig gen i DNA-sekvensen kan studier i jäst ge kraftfulla ledtrådar om vilken roll den relaterade genen eller de relaterade generna spelar hos människor. Den relativa enkelheten i att studera cellfunktioner i jäst i kombination med dess relevans för högre organismer gör alltså jäst till en mycket kraftfull ”modellorganism” för studier.

Jästs liv och cellcykler

Den knoppande jästens livscykel. Credit: Wikicommons

Jäst växer vanligtvis asexuellt genom knoppning. En liten knopp som kommer att bli dottercellen bildas på föräldracellen (modercellen) och förstoras med fortsatt tillväxt. När dottercellen växer duplicerar modercellen sitt DNA och segregerar det sedan. Kärnan delar sig och vandrar in i dottercellen. När knoppen innehåller en kärna och når en viss storlek separeras den från modercellen. Den serie händelser som inträffar i en cell och som leder till duplicering och delning kallas för cellcykeln. Cellcykeln består av fyra olika faser (G1, S, G2 och M) och regleras på samma sätt som cellcykeln i större eukaryoter. Så länge det finns tillräckligt med näringsämnen som socker, kväve och fosfat kommer jästcellerna att fortsätta att dela sig asexuellt.

Shmooing jästcell. Credit: Wikicommons

Jästceller kan också föröka sig sexuellt. Jästceller existerar som en av två olika parningstyper, a-celler och alfa-celler. När celler av motsatta parningstyper blandas ihop i laboratoriet eller slumpmässigt kommer i kontakt med varandra i naturen kan de para sig (konjugera). Innan de förenas ändrar cellerna form i en process som kallas shmooing. Termen ”shmoo” myntades på grund av dess likhet i form med en fiktiv seriefigur med samma namn som skapades i slutet av 40-talet av Al Capp och som först dök upp i hans serietidning L’il Abner. Under konjugationen smälter de haploida cellerna i shmooing först samman och sedan deras kärnor, vilket resulterar i bildandet av en diploid cell med två kopior av varje kromosom. När de väl har bildats kan diploida celler föröka sig asexuellt genom knoppning, på samma sätt som haploida celler. När diploida celler svälter på näring genomgår de dock sporulering. Under sporulationen genomgår diploida celler meios, en speciell form av celldelning som minskar antalet kromosomer från två kopior tillbaka till en kopia. Efter meiosen paketeras de haploida kärnor som producerats under meiosen till fyra sporer som innehåller modifierade cellväggar, vilket resulterar i strukturer som är mycket motståndskraftiga mot miljöstress. Dessa sporer kan överleva långa perioder tills förhållandena blir mer gynnsamma, t.ex. i närvaro av förbättrade näringsämnen, varpå de kan gro och föröka sig asexuellt. Dessa olika tillstånd, knoppning, konjugering och sporulering utgör tillsammans jästens livscykel.

CO2-bubblor som produceras under jäsning. Credit: Wikicommons

Gästens tillväxt och ämnesomsättning

När jästcellerna odlas i rika kolkällor som glukos föredrar de att växa genom jäsning. Under fermenteringen omvandlas glukos till koldioxid och etanol. I allmänhet sker fermentering i frånvaro av syre och är därför anaerob till sin natur. Även i närvaro av syre föredrar jästceller att växa fermentativt och detta kallas Crabtree-effekten efter den biolog som upptäckte denna preferens. Denna form av tillväxt utnyttjas vid tillverkning av bröd, öl, vin och andra alkoholhaltiga drycker. Även om knoppande jästceller föredrar att växa genom jäsning kan de, när näringsämnena är begränsade, också växa genom cellandning. Under respirationen omvandlar cellerna glukos till koldioxid och vatten, förbrukar syre i processen och resulterar i produktion av mycket större mängder energi i form av ATP.

Historiska upptäckter

Egyptisk trämodell av öltillverkning i det gamla Egypten. Credit: Wikicommons

Jäst har använts som en industriell mikroorganism i tusentals år. De gamla egyptierna använde jästjäsning för att jäsa bröd. Det finns bevis på slipstenar, bakkamrar och ritningar av 4000 år gamla bagerier. Arkeologiska utgrävningar har avslöjat bevis i form av krukor som innehåller rester av vin som är 7 000 år gammalt.

Jäst visualiserades för första gången 1680 av Antoni van Leeuwenhoek med hjälp av högkvalitativa linser. Han trodde dock att dessa klumpar var stärkelserika partiklar från det spannmål som används för att göra wort, det flytande extrakt som används vid bryggning, snarare än jästceller under jäsning. År 1789 bidrog Antoine Lavoisier, en fransk kemist, till vår förståelse av de grundläggande kemiska reaktioner som krävs för att producera alkohol från sockerrör. Genom att uppskatta andelen utgångsmaterial och produkter (etanol och koldioxid) efter tillsats av jästpasta drog han slutsatsen att två kemiska vägar användes där två tredjedelar av sockret reducerades till alkohol och en tredjedel bildade koldioxid. Vid den tiden trodde man dock att jästen bara fanns där för att sätta igång reaktionen snarare än att den behövdes under hela processen.

Ascus av S. cerevisiae som innehåller en tetrad av fyra sporer. Credit: Wikicommons

1815 utvecklade Joseph-Louis Gay-Lussac, en fransk kemist, metoder för att hålla druvjuice i ojäst tillstånd och upptäckte att det krävdes tillförsel av ”ferment” (som innehåller jäst) för att omvandla ojäst vört, vilket visade på jästens betydelse för alkoholjäsning. År 1835 använde Charles Cagniard de la Tour ett kraftfullare mikroskop för att visa att jästen var encellig och förökade sig genom knoppning. På 1850-talet upptäckte Louis Pasteur att jästa drycker är resultatet av jästens omvandling av glukos till etanol och definierade jäsning som ”andning utan luft”. Mot slutet av 1800-talet använde Eduard Buchner cellfria extrakt som erhållits genom att mala jästceller för att påvisa zymas, en samling enzymer som främjar eller katalyserar jäsning, och för detta tilldelades han Nobelpriset 1907.

En stor del av det banbrytande arbetet med jästgenetik utfördes av Øjvind Winge. Han upptäckte att jäst växlar mellan haploida och diploida tillstånd och att jäst är heterotallisk, eftersom det krävs två stammar för att omvandla haploida till diploida (konjugation). Han och hans kollega Otto Laustsen utvecklade tekniker för att mikromanipulera jäst så att de kunde undersökas genetiskt. Med denna teknik, som kallas ”tetradanalys”, används en fin nål och ett mikroskop för att isolera en struktur som kallas ascus, som innehåller de fyra sporprodukterna eller tetrad som uppstår vid sporulering av en diploid. När ascusen har isolerats skiljs sporerna i tetraden åt och får växa till kolonier för genetisk analys. Detta banbrytande arbete gav honom titeln ”jästgenetikens fader”. En del av detta arbete klargjordes ytterligare av Carl Lindegren, som klargjorde parningstypsystemet i budding yeast, visade att det fanns Mat a- och Mat alfa-celler, utarbetade metoder för att genomföra massparningar mellan celler av dessa parningstyper och använde denna kunskap för att studera genetiken för sockerutnyttjande.

Sedan dess har många andra forskare utfört banbrytande forskning med hjälp av budding yeast. Några av dessa forskare har tilldelats Nobelpriset för viktiga upptäckter som gjorts under dessa studier, bland annat: Dr Leland Hartwell (2001) för upptäckten av gener som reglerar cellcykeln (tillsammans med Paul Nurse och Tim Hunt), Roger Kornberg (2006) för sina studier av det första steget i genuttrycket, det sätt på vilket en geners DNA-sekvens kopieras till messenger RNA (mRNA), dr. Elizabeth Blackburn, Carol Greider och Jack Szostak (2009) för att ha upptäckt och belyst de gener och metoder genom vilka cellerna skyddar kromosomändarna eller telomererna från att brytas ned, och till doktorerna Randy Schekman, James Rothman och Thomas Südhof (2013) för sin forskning om det maskineri som reglerar den vesikulära trafiken. Senast fick dr Yoshinori Ohsumi priset för sitt arbete med autofagi, som började med studier i jäst.

Kommersiella tillämpningar

Jäst används för att göra öl och bröd. Credit: Wikicommons

Jäst har länge ansetts vara den organism som är lämplig för tillverkning av alkoholhaltiga drycker, bröd och ett stort antal industriprodukter. Detta grundar sig på den lätthet med vilken jästens ämnesomsättning kan manipuleras med hjälp av genetiska tekniker, den snabbhet med vilken den kan odlas till hög cellutbyte (biomassa), den lätthet med vilken denna biomassa kan separeras från produkterna och vetskapen om att den är allmänt erkänd som säker (GRAS).

Den knoppande jästen S. cerevisiae och andra jästarter har länge använts för att jäsa sockerarter från ris, vete, korn och majs för att framställa alkoholhaltiga drycker som öl och vin. Det finns två huvudtyper av bryggjäst, överjäst öljäst och underjäst lagerjäst. Toppjäst som till exempel S. cerevisiae stiger upp till ytan under jäsningen och används för att brygga ales, porters, stouts och veteöl. S. pastorianus (tidigare känd som S. carlsbergensis) är däremot en jäst som jäser i botten och används för att göra lageröl. Lagerjäst växer bäst vid lägre temperaturer. Därför växer de långsammare, producerar mindre ytskum och lägger sig därför vanligtvis i botten av jäsaren. Pilsner, Märzen, Bocks och amerikansk maltlikör är alla typer av lageröl. I modern bryggning har många av de ursprungliga toppjäsande stammarna modifierats till att bli bottenjäsare.

Jäst producerar vin genom att jäsa socker från druvsaft (must) till etanol. Även om vinjäsningen kan inledas av naturligt förekommande jäst som finns i vingårdarna, väljer många vingårdar att tillsätta en ren jästkultur för att dominera och kontrollera jäsningen. Bubblorna i champagne och mousserande viner framställs genom en sekundär jäsning, vanligtvis i flaskan, som fångar upp koldioxiden. Koldioxid som produceras vid vinframställning släpps ut som en biprodukt. En jästcell kan jäsa ungefär sin egen vikt i glukos per timme. Under optimala förhållanden kan S. cerevisiae producera upp till 18 volymprocent etanol, med 15-16 % som norm. Den svaveldioxid som finns i kommersiellt producerat vin tillsätts strax efter att druvorna krossats för att döda de naturligt förekommande bakterierna, mögel och jästen.

Jäst har en nötaktig, ostliknande smak som gör den till en idealisk ostersättning. Credit: Wikicommons

Saccharomyces cerevisiae eller bagerijäst har länge använts som surdeg i bakverk. Bagerijäst fermenterar sockerarter som finns i degen och producerar koldioxid och etanol. Koldioxiden fastnar i små bubblor i degen, vilket får degen att stiga. Surdegsbröd är ett undantag, eftersom det inte framställs med hjälp av bagerijäst, utan i stället med en kombination av vildjäst och bakterier. Jästen Candida milleri används för att stärka gluten, och en syrabildande bakterie ”Lactobacillus sanfranciscensis” används för att jäsa maltosen.

Förutom dessa traditionella användningsområden har jäst också använts för många andra kommersiella tillämpningar. Veganer använder ofta jäst som ostersättning och den används ofta som topping för produkter som popcorn. Den används i den petrokemiska industrin där den har konstruerats för att producera biobränslen som etanol och farnesen, en föregångare till diesel och flygbränsle. Den används också vid tillverkning av smörjmedel och rengöringsmedel. Jäst används inom livsmedelsindustrin för produktion av livsmedelstillsatser som färgämnen, antioxidanter och smakförstärkare. Den används ofta vid framställning av läkemedel, bland annat antiparasitära medel, cancerbekämpningsmedel, biofarmaceutiska medel som insulin, vacciner och nutraceutiska medel. Jäst används ofta vid produktion av industriella enzymer och kemikalier. Inom området miljöbioremediering har stammar till och med utnyttjats för att avlägsna metaller från gruvavfall.

Användning på mänskliga sjukdomar och forskning

Pinning robot for HTP arrays of yeast Credit: Wikicommons

I kraft av den höga graden av likhet mellan jästgener och deras motsvarigheter hos människor, och den bevarade grundläggande cellbiologin, har jäst blivit ett populärt modellsystem för att studera gener för mänskliga sjukdomar. Flera metoder har använts för att lära sig mer om mänskliga gener när en koppling mellan en mänsklig och en jästgen har gjorts. I en metod jämförs sekvensen av en mänsklig sjukdomsassocierad gen med sekvenserna av alla gener i jästgenomet för att identifiera den eller de mest likartade jästgenerna. För att undersöka om generna är funktionellt besläktade uttrycks sedan den mänskliga genen i en jästfärg där jästgenen först har inaktiverats genom mutation. Detta gör det möjligt för forskarna att avgöra om den mänskliga genen kan rädda livskraft, tillväxt eller mer specifika defekter som är förknippade med förlust av jästgenen, en metod som kallas funktionell komplementering. Om de vägar och/eller processer som en jästgen är involverad i är bevarade kan man lära sig mycket om den mänskliga genens funktion baserat på vad man redan vet om den relaterade jästgenen. När funktionell komplementering har fastställts kan forskarna använda detta system för att ytterligare karakterisera funktionen hos den relaterade mänskliga genprodukten. Mindre riktade metoder som ofta utnyttjar tekniker med hög genomströmning (HTP) för att slumpmässigt screena tusentals mänskliga gener på en gång för att identifiera gen eller gener med komplementerande aktivitet. Sådana metoder har framgångsrikt använts för att identifiera bevarade cellcykelreglerare (CDC2), gener som är involverade i cancer och gener som är involverade i neurodegenerativa sjukdomar.

Seriedroppstest med läkemedel av intresse Credit: Wikicommons

Det finns många scenarier där studierna kan ge värdefull information till forskarna om de cellulära vägar och/eller processer som en mänsklig gen är involverad i när en relaterad jästgen inte är närvarande. Till exempel uppstår vissa neurodegenerativa sjukdomar som Alzheimers och Parkinsons sjukdom när proteinaggregat som kallas amyloid ackumuleras på grund av felveckning av proteiner och detta är giftigt för neuronerna. Studier av felveckade jästproteiner med liknande amyloidbildande potential, så kallade prioner, har gett forskarna insikt i dessa neurodegenerativa sjukdomar. Alternativt kan förhöjt uttryck av en sjukdomsassocierad gen i jäst resultera i en fenotyp. Till exempel är alfa-synuklein, en gen som är förknippad med Parkinsons sjukdom, giftigt när det uttrycks i tillräckligt höga nivåer. En sådan stam kan sedan användas för att söka efter jästgener eller små molekyler som undertrycker eller förstärker synukleininducerad toxicitet, vilket ofta ger ledtrådar om de relevanta cellulära vägarna. Patienter med amyotrofisk lateralskleros (ALS) eller Lou Gehrigs sjukdom har ofta mutationer i ett par RNA-bindande proteiner som gör dem benägna att bilda aggregat som stör RNA-metabolismen. En screening av jäst har använts framgångsrikt för att identifiera ett antal jästgener med liknande egenskaper (bildar giftiga aggregat), vilket ger forskarna nya kandidatgener att studera. Omvänt bildar de mänskliga RNA-bindande proteinerna giftiga aggregat när de uttrycks i jäst, och denna stam användes för att identifiera en jästgen som när den är muterad blockerar produktionen av dessa aggregat.

Jäst håller på att bli den organism som väljs ut i studier som syftar till att identifiera måltavlor för läkemedel och verkningssättet för olika läkemedel. Kemogenomik eller kemisk genomik avser de undersökningar som använder en kombination av kemikalier och genomik för att undersöka läkemedelsmål och potentiellt identifiera nya läkemedel. Två huvudsakliga tillvägagångssätt har använts i dessa kemisk-genomiska studier. I den första metoden konstrueras en genomomfattande samling diploida stammar där en av de två identiska kopiorna av en gen raderas, vilket sänker nivåerna av en viss genprodukt. Målgener och gener som är involverade i målvägen blir känsligare för ämnet och identifieras företrädesvis i denna typ av screening. I ett andra tillvägagångssätt tas icke-essentiella gener systematiskt bort och samlingen screenas med ett läkemedel för att leta efter gener som dämpar läkemedlets målväg. Detta tillvägagångssätt förväntas identifiera gener som krävs för tillväxt i närvaro av ämnet. Ytterligare metoder med hjälp av överexpressionsundersökningar har använts för att identifiera gener som är involverade i läkemedelsresistens, inklusive det potentiella läkemedelsmålet. Att jämföra uttrycksprofilen hos jästceller som är borttagna för en gen med den hos jästceller av vildtyp som behandlats med ett visst läkemedel kan också vara ett effektivt sätt att identifiera gener som kan berätta något för forskarna om hur läkemedlet fungerar i cellerna.

Detta är bara några få exempel på hur jäst kan användas både för att hjälpa till med studiet av sjukdomar hos människor. Studier i jäst kan hjälpa forskare att lära sig mer om den underliggande biologin med hjälp av detta modellsystem, eller hjälpa dem att identifiera läkemedelsmål eller läkemedlens verkningsmekanism.

Källor

Saccharomyces Genome Database (SGD) tillhandahåller omfattande integrerad biologisk information för den knoppande jästsvampen Saccharomyces cerevisiae tillsammans med sök- och analysverktyg för att utforska dessa data.

MIPS Comprehensive Yeast Genome Database (CYPD) innehåller information om den molekylära strukturen och det funktionella nätverket hos den helt sekvenserade och välstuderade modellenukaryoten, den knoppande jästsvampen Saccharomyces cerevisiae.

Candida Genome Database (CGD), en resurs för genomiska sekvensdata och gen- och proteininformation för Candida albicans.

PomBase, en omfattande databas för fissionsjästen Schizosaccharomyces pombe, som tillhandahåller strukturell och funktionell annotering, litteraturkurering och tillgång till storskaliga datamängder.

Fungal genome resources at NCBI, en guide till svampgenomresurser vid National Center for Biotechnology Information (NCBI).

En omfattande lista över jästrelaterade resurser om ämnen som sträcker sig från allmän information om jäst till nukleinsyror, genomer och proteiner, expressionsdata, lokalisering, fenotyper med mera.