An Glukose verarmte Hefe vergiftet benachbarte Mikroorganismen sowie ihre eigenen Klone

Hefe ist nicht der einfache einzellige Mikroorganismus, von dem wir früher dachten, sondern ein kompetitiver Killer. Bei Glukosemangel setzt Hefe ein Toxin frei, das andere Mikroorganismen vergiftet, die in ihren umgebenden Lebensraum eingedrungen sind, sogar ihre eigenen Klone. Dieses giftige Phänomen war bisher unbekannt und trägt zu unserem Verständnis des Verhaltens einzelliger Mikroorganismen und der Evolution von einzelligen zu mehrzelligen Organismen bei und hat potenziell nützliche Anwendungen für die Lebensmittelindustrie.

Brotbacken wurde während der Pandemie zu einem beliebten neuen Hobby, daher findet man heute wahrscheinlich in so manchen Küchenschränken ein kleines Päckchen Trockenhefe. Seit Jahrtausenden ist dieser kleine lebende Pilz ein fester Bestandteil unserer Ernährung und ermöglicht uns, lockeres Brot, süßen Wein und schaumiges Bier zu genießen. Bis vor kurzem wurde Hefe für einen einfachen einzelligen (einzelnen) Mikroorganismus gehalten, aber Forscher der Universität Tokio haben jetzt entdeckt, dass er eine mörderische Überlebensstrategie hat. Ihre Arbeit ist veröffentlicht in PLOS-Biologie.

„In der kritischen Überlebenssituation des Glukosemangels setzen Hefen Toxine in ihren Lebensraum frei, die andere Mikroorganismen töten, während die Hefe selbst Resistenzen entwickelt“, erklärt Assistenzprofessor Tetsuhiro Hatakeyama von der Graduate School of Arts and Sciences.

„Wir haben dieses Phänomen Latecomer-Tötung genannt. Noch überraschter waren wir, als wir feststellten, dass die von Hefen produzierten Toxine auch ihre nicht angepassten Klone töten können, sodass sie Gefahr laufen, nicht nur eindringende Mikroorganismen, sondern auch ihre eigenen Nachkommen zu töten. Solch ein scheinbar riskantes und fast selbstmörderisches Verhalten wurde zuvor bei einem einzelligen Organismus nicht gefunden oder auch nur als existent angesehen.“

Obwohl kooperative Verhaltensweisen bei vielen Bakterien und Pilzen gut bekannt sind, ist diese Forschung der erste prominente Befund der Konkurrenzfähigkeit, die in klonalen Zellen in einzelligen Organismen auftritt. Dies hat wichtige Auswirkungen auf unser Verständnis der Ökologie von Mikroorganismen sowie darauf, warum einige spezifische Mikroorganismen während der Fermentation wachsen und andere nicht.

Um diese Entdeckung zu machen, züchtete das Team klonale Zellen (dh von derselben Elternzelle stammend) separat unter glukosebegrenzten und glukosereichen Bedingungen. Als die Zellen kombiniert wurden, zeigten ihre Wachstumsmuster, dass Hefezellen, die sich bereits an den Glukosemangel angepasst hatten, in der Lage waren, Nachzügler zu vergiften und Nahrungsressourcen für sich selbst zu behalten.

„Unsere Forschung zeigt eine überraschend egoistische Seite des Hefeverhaltens“, sagte Hatakeyama. „Das von uns entdeckte Phänomen ähnelt einem Gedankenexperiment des antiken griechischen Philosophen Karneades von Kyrene, genannt Karneadesplanke: Wenn ein Matrose aus einem Schiffbruch entkommt, indem er sich an einer Planke festhält, die kaum eine Person tragen kann, und dann einen anderen Matrosen wegstößt, der nach ihm kommt, wird er wegen Mordes angeklagt?

Die Forscher schlagen vor, dass diese Strategie Hefe dabei helfen könnte, eine Massenverhungerung der Population zu vermeiden, während sie auch die Auswahl von toxinproduzierenden Nachkommen unterstützt, die mit größerer Wahrscheinlichkeit ihre Abstammungslinie fortsetzen werden. Die Strategie wurde bei mehreren verschiedenen Hefearten beobachtet, die ursprünglich aus Bier, Brot und Wein gewonnen wurden, was bedeuten könnte, dass dieses Phänomen bei dieser vielfältigen Spezies häufiger auftritt.

Diese Entdeckung könnte genutzt werden, um nützliche Wachstumskontrollmechanismen für wirtschaftlich wichtige Hefearten zu entwickeln, wie sie beispielsweise in der Lebensmittelindustrie verwendet werden. Obwohl es nicht in dieser Studie enthalten ist, kann es auch den Weg zu einer besseren Kontrolle von Hefearten ebnen, die sich negativ auf die Gesundheit von Mensch und Tier auswirken können. Als nächstes möchte das Team die Auswirkungen dieser Entdeckung auf die Zellentwicklung untersuchen.

„Für die Entwicklung vielzelliger Organismen ist nicht nur die gegenseitige Aktivierung des Zellwachstums, sondern auch die gegenseitige Hemmung des Zellwachstums oder des programmierten Zelltods in klonalen Zellen erforderlich“, erklärt Hatakeyama.

„Pilze neigen bekanntermaßen leichter als andere Organismen zu einem evolutionären Übergang zwischen Einzeller und Vielzeller, daher möchten wir die Beziehung zwischen dem Töten von Nachzüglern und der Evolution mehrzelliger Organismen aufklären. Wir hoffen, dass diese Forschung einen wesentlichen Beitrag zu unserer leisten wird Verständnis der Entwicklung von Ökosystemen und evolutionären Übergängen.“