Неожиданные адаптации помогают дрожжам побеждать жару
В условиях глобального потепления ученые обратились к неожиданному источнику — тем же дрожжам, которые заставляют хлеб подниматься, а пиво пениться, — чтобы выяснить, что позволяет одним формам жизни выживать в экстремальной жаре, а другим нет.
В исследовании, опубликованном в Molecular Biology and Evolution, биолог из Рочестерского университета Джастин Фэй и его коллеги сравнили два близкородственных вида дрожжей, чтобы понять, как организмы справляются с жарой и почему одни виды делают это лучше других.
Белки — молекулы, ответственные за большинство важнейших функций клетки — особенно чувствительны к теплу. Если они теряют свою форму, клетки могут погибнуть. Исследователи обнаружили, что выживание зависит не только от устойчивости самих белков, но и от клеточной среды, которая их поддерживает. Эти выводы могут изменить наше представление об эволюции, болезнях и жизни в нагревающемся мире.
«Мы изучали дрожжи, но результаты, вероятно, имеют широкое значение, поскольку механизмы стабильности белков общие для многих организмов», — говорит Фэй, профессор кафедры биологии.
«Эти идеи также важны для понимания эволюции и того, как развиваются патогены человека, поскольку рост при температуре тела требует аналогичных адаптаций».
Белки, стоящие за устойчивостью к жаре
Исследователи сравнили Saccharomyces cerevisiae (обычные пекарские или пивные дрожжи) и Saccharomyces uvarum. Хотя эти два вида дрожжей близкородственны, Saccharomyces cerevisiae может выдерживать температуру примерно на 8 градусов Цельсия (14,4 градуса по Фаренгейту) выше, чем Saccharomyces uvarum, — что является значительной разницей в микробных масштабах.
Фэй и его коллеги использовали метод теплового протеомного профилирования, который включает обработку белков теплом и измерение того, какие белки остаются растворимыми (сложенными). Они обнаружили, что 85% белков в Saccharomyces cerevisiae были более термостабильны, чем их аналоги в Saccharomyces uvarum.
Как клетки помогают белкам
Однако исследователи выяснили, что строение белка — не единственный фактор, влияющий на термоустойчивость организма. Команда создала гибридные дрожжи с генетическим материалом от обоих видов и обнаружила, что даже более термочувствительные белки Saccharomyces uvarum лучше сохранялись внутри гибридной клетки в её «жаростойкой» среде.
Другими словами, клетки не оставляют белки на произвол судьбы: они привлекают другие молекулы, регулируют химические условия и используют специализированные белки-шапероны, чтобы помочь белкам сохранять форму и функцию даже в условиях теплового стресса.
Результаты показывают, что для выживания важны как структура белка, так и клеточная среда, и виды могут адаптироваться к более высоким температурам более чем одним способом.
«Поскольку клеточная среда также важна, могут существовать способы, с помощью которых организмы могут развить некоторую устойчивость, не меняя все свои белки», — говорит Фэй.
Картирование адаптации
Эта работа развивает текущие исследования Фэя: сочетание анализа на уровне белков с генетическими подходами для картирования пошаговых генетических изменений, делающих возможным выживание в жаре; выяснение, почему одни виды адаптируются легче других; и определение того, как эти адаптивные шаги различаются между видами.
В конечном счете, эти идеи могут раскрыть не только то, как штаммы дрожжей эволюционируют для выживания в жаре, но и более общие правила, определяющие, как жизнь адаптируется — или не может адаптироваться — к меняющимся условиям среды.