09.11.2022 - The Tokyo University of Agriculture and Technology

Verkümmerte Hefe vergiftet Klone

Wenn der Hefe Glukose fehlt, tötet sie ihre eigenen Klone und andere Mikroorganismen in der Umgebung, um zu überleben - ein neu entdecktes Phänomen, das als Latecomer Killing bezeichnet wird

Hefe ist nicht der einfache einzellige Mikroorganismus, für den wir sie einst hielten, sondern ein konkurrenzfähiger Killer. Bei Glukosemangel setzt Hefe ein Toxin frei, das andere Mikroorganismen vergiftet, die in ihre Umgebung eingedrungen sind, sogar ihre eigenen Klone. Dieses giftige Phänomen war bisher unbekannt und trägt zu unserem Verständnis des Verhaltens einzelliger Mikroorganismen und der Entwicklung von einzelligen zu mehrzelligen Organismen bei und könnte auch für die Lebensmittelindustrie von Nutzen sein.

Während der Pandemie wurde das Brotbacken zu einem beliebten neuen Hobby, und so findet man heute wahrscheinlich in vielen Küchenschränken ein kleines Päckchen Trockenhefe. Seit Tausenden von Jahren ist dieser kleine lebende Pilz ein fester Bestandteil unserer Ernährung und sorgt dafür, dass wir fluffiges Brot, süßen Wein und schaumiges Bier genießen können. Bis vor kurzem hielt man Hefe für einen einfachen einzelligen Mikroorganismus, aber Forscher der Universität Tokio haben nun herausgefunden, dass sie eine mörderische Überlebensstrategie hat.

"In der kritischen Überlebenssituation des Glukosemangels setzen Hefen Giftstoffe in ihrem Lebensraum frei, die andere Mikroorganismen abtöten, während die Hefe selbst eine Resistenz entwickelt", erklärt Assistenzprofessor Tetsuhiro Hatakeyama von der Graduate School of Arts and Sciences. "Wir haben dieses Phänomen Latecomer Killing genannt. Noch überraschter waren wir, als wir feststellten, dass die von Hefen produzierten Toxine auch ihre nicht angepassten Klone töten können, so dass sie Gefahr laufen, nicht nur eindringende Mikroorganismen, sondern auch ihre eigenen Nachkommen zu töten. Solch ein scheinbar riskantes und fast selbstmörderisches Verhalten war zuvor bei einem Einzeller nicht gefunden worden und wurde auch nicht als existent angesehen."

Obwohl kooperative Verhaltensweisen bei vielen Bakterien und Pilzen bekannt sind, ist dies der erste prominente Nachweis von Konkurrenzverhalten bei klonalen Zellen in einzelligen Organismen. Dies hat wichtige Auswirkungen auf unser Verständnis der Ökologie von Mikroorganismen sowie auf die Frage, warum bestimmte Mikroorganismen während der Gärung wachsen, während andere dies nicht tun. Um diese Entdeckung zu machen, züchtete das Team klonale Zellen (d. h. Zellen, die von der gleichen Elternzelle abstammen) getrennt unter glukosebegrenzten und glukosereichen Bedingungen. Als die Zellen kombiniert wurden, zeigten ihre Wachstumsmuster, dass Hefezellen, die sich bereits an die Glukoseknappheit angepasst hatten, in der Lage waren, Nachzügler zu vergiften und die Nahrungsressourcen für sich zu behalten.

"Unsere Forschung offenbart eine überraschend egoistische Seite des Hefeverhaltens", sagt Hatakeyama. Das von uns entdeckte Phänomen ähnelt einem Gedankenexperiment des antiken griechischen Philosophen Carneades von Kyrene, dem so genannten "Brett des Carneades": Wenn ein Seemann aus einem Schiffswrack entkommt, indem er sich an einer Planke festhält, die nur eine Person tragen kann, und dann einen anderen Seemann, der ihm folgt, wegstößt, wird er dann des Mordes angeklagt?" Die Forscher vermuten, dass diese Strategie Hefepilzen helfen könnte, ein massenhaftes Verhungern der Population zu vermeiden und gleichzeitig die Selektion von Toxin produzierenden Nachkommen zu unterstützen, die eher in der Lage sind, ihren Stammbaum fortzusetzen. Die Strategie wurde bei verschiedenen Hefearten beobachtet - zunächst bei Bier-, Brot- und Weinhefen -, was bedeuten könnte, dass dieses Phänomen bei dieser vielfältigen Art in größerem Umfang auftritt.

Diese Entdeckung könnte genutzt werden, um nützliche Mechanismen zur Wachstumskontrolle für wirtschaftlich wichtige Hefearten zu entwickeln, wie sie beispielsweise in der Lebensmittelindustrie verwendet werden. Obwohl sie nicht in dieser Studie enthalten ist, könnte sie auch den Weg zu einer besseren Kontrolle von Hefearten ebnen, die die Gesundheit von Mensch und Tier beeinträchtigen können. Als nächstes möchte das Team die Auswirkungen dieser Entdeckung auf die Zellevolution untersuchen. "Für die Entwicklung von mehrzelligen Organismen ist nicht nur die gegenseitige Aktivierung des Zellwachstums, sondern auch die gegenseitige Hemmung des Zellwachstums oder des programmierten Zelltods in klonalen Zellen erforderlich", erklärte Hatakeyama. "Es ist bekannt, dass Pilze schneller als andere Organismen zu einem evolutionären Übergang von der Einzelligkeit zur Vielzelligkeit neigen, daher möchten wir die Beziehung zwischen der Tötung von Nachzüglern und der Evolution von mehrzelligen Organismen aufklären. Wir hoffen, dass diese Forschung einen wichtigen Beitrag zu unserem Verständnis der Entwicklung von Ökosystemen und evolutionären Übergängen leisten wird."

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