Бабьева И. П., Чернов И. Ю. Биология дрожжей. М. Товарищество научных изданий КМК, 2004

К 250-летию Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова

И.П.Бабьева, И.Ю.Чернов

Биология дрожжей

1

УДК 576.8

Рецензенты:

докт. биол. наук Д.Г.Звягинцев докт. биол. наук Ю.Т.Дьяков

При финансовом содействии гранта Президента Российской Федерации для поддержки

ведущих научных школ Российской Федерации

Бабьева И.П., Чернов И.Ю. Биология дрожжей. М.: ..., 2004, ... с.

В учебном пособии представлены сведения по основным разделам зимологии - науки о дрожжевых грибах. Показано, как менялись представления о природе дрожжей от их открытия до настоящего времени. Обсуждается значение дрожжей вкачестве модели для изучения многих вопросов клеточной биологии. Рассматриваются особенности строения дрожжевой клетки, химический состав и функции основных клеточных структур, особенностиморфологиидрожжевыхгрибов, типыихразмножения. Анализируются примеры жизненных циклов наиболее изученныхвидов. Прианализеособенностейфизиологиидрожжейособоевниманиеуделяетсясоотношениюдыхательногоибродильноготиповметаболизма, атакжеихэкофизиологическойхарактеристике. Наиболееподробно рассматриваются закономерности расселения дрожжей в природных местообитаниях, биотические взаимодействия дрожжей и других организмов, особенности географического распространения. Данные, приводимыевэтомразделе, накопленыавторами врезультатемноголетнейработыпоизучениюэкологиидрожжейвприродныхместообитаниях. Обсуждается функциональная роль дрожжей в экосистемных процессах. Дается обзор практического использования дрожжей как в традиционных бродильных производствах, так и в современной биотехнологии. Взаключенииприводитсясистематический обзорродовдрожжевых грибов и обсуждаются последние достижения в их классификации.

Длястудентовбиологическихфакультетовифакультетовпочвоведения университетов.

2

3

4

ВВЕДЕНИЕ

Чтобыописатьсущностьиперспективыразвитиянаукиодрожжахзимологии, следует в первую очередь дать определение самому объекту этой науки - дрожжевым организмам. Казалось бы, вопрос о том, что такоедрожжи, весьмапростой: одрожжахзнаеткаждый, безнихнеприготовить кислого теста, вина, пива. И все же дать научное определение дрожжам и четко очертить границы этой группы микроорганизмов становится все труднее по мере расширения наших знаний об этих микроскопических существах, которые включают в царство Mycota.

То, чтодрожжиэтогрибы, сталопонятнымужесначалапервыхнаучных описаний этих организмов, сделанных в первой половине прошлого века. Несмотря на одноклеточное строение, внешне более сходное с крупнымибактериями, чемсмицелиальнымигрибами, дрожжипоультраструктурнойорганизацииклеткииспособамбеспологоиполовогоразмножения сразужебылиотнесеныкгрибам. Однакоизучалиих, какправило, немикологи, амикробиологи. Причинаэтогозаключаетсявтом, чторостдрожжей наплотныхсредахоченьсходенсбактериальным. Крометого, человекавсегдапривлекалосвойстводрожжейвызыватьспиртовоеброжение, и, следовательно, вработесдрожжамипреобладалифизиолого-биохимическиепод- ходыиметоды. Микологижеисторическибылисвязанысботаниками, так как долгое время грибы считали низшими растениями, и поэтому в основе ихизучениявсегда были методы описательной морфологии, анефизиологии. Все это привело к тому, что дрожжи были искусственно оторваны от всехостальныхгрибов, ихотяим«повезло», чтоонибылиобъектамиработ такихкорифеевмикробиологии, какЛуиПастер, А.Клюйвер, Г.А.Надсон, в таксономическом отношении были допущены серьезные ошибки, которые ивнаше время исправлять непросто. Подсильным влияниембродильных свойствнекоторыхвидовдрожжейэтугруппуорганизмовдолгоевремяограничивалиодноклеточнымигрибами, которыеобразуютаскоспорыиспособны вызывать спиртовое брожение. Все другие грибы с одноклеточной стадией в жизненном цикле называли дрожжеподобными грибами. Только всамомконцеXX в. наукаодрожжахполностьювернуласьвмикологию, а представление обобъектах зимологиизначительнорасширилось.

Сейчаскдрожжампринятоотноситьвсетегрибы, которыеспособны вегетативно размножаться в одноклеточной форме, независимо от того, имеютлионимицелиальнуюфазувжизненномциклеиродственныаско-

5

мицетовым или базидиомицетовым грибам. Среди дрожжей сейчас рассматривают даже гаплоидные одноклеточные стадии таких грибов, которые образуют макроскопические плодовые тела. При таком понимании дрожжей, их границы с мицелиальными грибами становятся расплывчатыми, а классификация сливается с общей системой грибов.

В связи с новым подходом к трактовке группы дрожжей существенно расширяется и поиск среди них тех биологических способностей, которые могут быть полезными для человека. Наряду с традиционными процессамииспользованиядрожжейвбродильныхпроизводствах, впищевой промышленности и для получения кормовых препаратов на разных источниках сырья, разрабатываются новые пути применения дрожжей для синтеза многих ценных веществ, таких как полисахариды, ферменты и коферменты, микоцины, витамины, органические кислоты, полиолы, каротиноидыимногиедругиесоединения. Дрожжииспользуются как векторные системы при разработке биотехнологических процессов производства инсулина, интерферона, гетерологичных белков.

По-новому следует оценивать и роль дрожжей в природных экосистемах. Например, считавшиеся долго безвредными комменсалами многие эпифитные дрожжи, обильно обсеменяющие зеленые части растений, могут оказаться не такими уж «невинными», если учесть, что они представляютсобойлишьгаплоиднуюстадиювжизненномциклеорганизмов, близкородственныхфитопатогеннымголовневымилиржавчинным грибам. И, наоборот, очень опасные патогены для человека - дрожжи, вызывающие болезнь мозга - криптококкоз - в природе имеют сапротрофную стадию и легко выделяются из мертвых органических субстратов, таких как помет голубей. Из этих примеров видно, что для пониманияэкологическихфункцийдрожжейнеобходимоизучениеполных жизненныхцикловкаждоговида. Однаруженыи«почвенные» дрожжис особыми функциями, важными для образования почвенной структуры. Неисчерпаемы по многообразию и связи дрожжей с животными.

Настоящая книга - это краткая сводка современного состояния наших знаний о разных сторонах жизни дрожжевых грибов: их морфологии и цитологии, способах размножения и жизненных циклах, физиологии и биохимии, экологии и географии, таксономии, а также об основных направлениях их промышленного использования.

6

ЗАРОЖДЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ЗНАНИЙ О ДРОЖЖАХ

Всю историю тесного общения человека со своими постоянными одноклеточными микроскопическими спутниками - дрожжами можно условно разделить на отдельные периоды (табл. 1).

Впервый, донаучный период, начало которого уходит корнями в

ХХв. до н.э., человек сумел «приручить» дрожжи, даже не зная об их существовании. Дрожжи работали на человека, производя различные бодрящие напитки, содержащие этиловый спирт. Напиток, напоминающий современное пиво («буза»), был известен уже в Древнем Египте. Там же возник способ приготовления хлеба из кислого дрожжевого теста. Это стало ясно после того, как в раскопках храма и гробниц фараона Эхнатона и его супруги – легендарной Нефертити, живших во второй половинеXIV в. дон. э., археологинатолкнулисьнаскоплениеформдля выпечки хлеба и кувшинов для пивоварения. В Китае уже в Х в. до н.э. умелиотгонятьспиртиздрожжевойбражкидляполучениякрепкихспиртных напитков. Европейцы пристрастились к спиртному несколько позже: производствовискиначалось вИрландиивХI в., авХIII в. вЕвропе широко распространилось пивоварение. Венцом этого периода можно считатьпервоеописаниедрожжей, которыев1680 г. увиделвкаплебродящего пива под микроскопом голландец АнтониванЛевенгук (рис. 1). Хотяонинесвязал процессобразованияпивасжизньюэтихмельчайших«анималькулей», ноегорисункидосих пор поражают точностью изображения дрожжевой клетки. После этого ничего нового о дрожжах не появлялось целых 150 лет.

Второй период занимает весь ХIХ век, на-

чинаяс30-хгодов. Этопериодзарождениянаучных знаний о дрожжах, когда были сдела-

ны первые научные описания дрожжей (КаньярдеЛатурвоФранции, ТеодорШванниФрид-

7

Важнейшим событием этого периода было исследование Луи Пастером в 1860-76 гг. спиртового брожения и доказательство его биохимической природы. В 1881 г. Эмилем Хансеном в Дании были впервые получены чистые культуры дрожжей. Использование чистых культур преобразило виноделие и пивоварение, превратив их из вида искусства в крупную отрасль промышленности. Исследования братьев Бюхнер в Германии (1890-е гг.) по сбраживанию сахара бесклеточными экстрактами дрожжейположилиначало развитиюэнзимологииибиохимии. Всамом конце ХIХ в. Э.Хансеном и А.Клекером в Дании была создана первая классификация дрожжей.

Третий период охватывает XX век. Он характеризуется дифференциацией научных направлений в области изучения дрожжей. В первой четверти прошлого века создается эволюционно-филогенетическое направление в систематике дрожжей (А.Гийермон во Франции, 1909-28 гг.), организуется первая коллекция дрожжевых культур (А.Клюйвер в Голландии, 1920-е гг.). С 1931 г. началось издание серииопределителей дрожжейвДельфте(Голландия). Этиопределителивтаксономиидрожжей имели такое же значение, как определители Берги в бактериологии. В1954 г. вышелпервыйотечественныйопределительдрожжейВ.И.Кудрявцева.

Открытие радиационного мутагенеза Г.А.Надсоном и С.Г.Филипповымв1925 г. вСССРзаложилоосновырадиобиологииистимулировало исследования по генетике дрожжей. Они касались доказательств существования чередования поколений в жизненном цикле дрожжей с изменением плоидности. Было показано, что аскоспоры Saccharomyces cerevisiae гаплоидны, и конъюгация спор или их потомков приводит к восстановлениюдиплоидногосостояния, характерногодлявегетативной стадии сахаромицетов. О.Винге разработал метод тетрадного анализа с изоляцией 4 спор из одного аска с помощью микроманипулятора. ВпоследствиидрожжиSaccharomyces cerevisiae оказалисьпрекрасныммодельным объектом для генетических исследований, и со времени этих работ генетика дрожжей развивалась очень бурно. Были выполнены тысячи работ как теоретического, так и прикладного характера, касающиеся конструирования генетически измененных штаммов дрожжей для биотехнологической промышленности.

9

Вторая половина XX в. отличается еще большей дифференциацией разделов зимологии, выделением новых направлений. Возникаютфункциональнаяморфологияицитологиядрожжей(М.Н.Мейсель, В.И.Бирюзова в СССР, Матиль в Швейцарии, Е.Штрейблова в Чехословакии), молекулярнаягенетикаигенетическаясистематика(работы японских, американских, канадских ученых, в СССР - исследования Г.И.Наумова), почвеннаязимология(работыв50-60-хгг. ДиМеннывНовой Зеландии, И.П.Бабьевой в СССР), морская зимология (А.Е.Крисс, М.И.Новожилова в СССР, Дж.Фелл в США), экология и закономерности географического распределения дрожжей (Г.Фафф в США, М.А.Лачанс в Канаде, И.Ю.Чернов в России). Появляются новые отрасли на стыке разных направлений, растут запросы и потребности биотехнологии, широко использующей дрожжевые организмы в самых разных производствах. Дрожживсебольшевовлекаютсявработыпосозданиювекторныхсистем для получения ценных продуктов биологического синтеза.

Особенно сильное влияние на изучение дрожжей, также как и большинствадругихгруппмикроорганизмов, оказалобурноеразвитиевконце XX в. молекулярной биологии. В современной систематике дрожжей широко используются методы геносистематики, основанные на непосредственном сравнении геномов и секвенировании нуклеотидных последовательностей. Применение единых молекулярно-биологических методов позволило еще больше сблизить подходы к таксономии дрожжевых и мицелиальных грибов, установить связи между дрожжевыми анаморфами и мицелиальными телеоморфами, разработать новые критерии для создания единой филогенетической системы всего царства Mycota. Втожевремя, новыезнанияпородилииновыенаучныепроблемы, в частности, проблему соотношения новейших молекулярных методов с традиционными, основанными на морфологических и физиологических подходах к изучению дрожжей. Практически полностью расшифровангеномSaccharomyces cerevisiae, чтооткрываетогромныеперспективыгеномикидрожжей, новыегоризонтыихбиотехнологического использования. Таким образом, наука о дрожжах, проделав более чем полуторавековой путь, продолжает интенсивно развиваться и в XXI в.

10