Detektivem ve světě kvasinek

I tak dlouho známé organismy však stále dokáží skrývat mnohá tajemství. Jedním z členů mezinárodního „detektivního týmu“, pátrajícího ve světě divokých kvasinek, se stal i Martin Převorovský z katedry buněčné biologie Přírodovědecké fakulty UK.

Dějiny spolupráce člověka s poltivou kvasinkou (Schizosaccharomyces pombe) se nejspíše začaly odvíjet kdesi v Africe. Stejně jako v případě její známější vzdálené příbuzné, kvasinky pivní (Saccharomyces cerevisiae), začala tato spolupráce díky jednomu z nejoblíbenějších nápojů lidstva – pivu. Právě v tomto kvašeném nápoji vyráběném Afričany z prosa objevil poltivou kvasinku již v roce 1893 německý mikrobiolog Paul Lindner. Po pivu získala dokonce i svůj druhový název – slovo pombe znamená ve svahilštině právě pivo.

Podobně jako kvasinka pivní se i tento druh postupně etabloval také v oboru od potravinářství na míle vzdáleném – v (mikro)biologii. Jeho tažení světem laboratoří začalo v 50. letech minulého století díky Ursi Leupoldovi a Murdochu Mitchisonovi, jejichž prostřednictvím se tento druh představil jako organismus vhodný ke studiu genetiky a buněčného cyklu. V roce 2001, když byla anglickému genetikovi Paulu Nurseovi udělena Nobelova cena za lékařství a fyziologii, stanula poltivá kvasinka na vrcholu své slávy. Velká část Nurseových výzkumů ohledně buněčného dělení využívala právě „služeb“ tohoto mikroorganismu. V současnosti pracuje s poltivou kvasinkou více než 200 laboratoří z celého světa.

Proč je právě tato kvasinka tak oblíbená? Oproti pučivé kvasince pivní je její největší výhodou to, že je na molekulární úrovni o dost podobnější lidským buňkám. Má také pouhé tři chromozomy a celkový počet jejích bází (tedy písmenek genetického kódu) je asi 14,1 milionu – což je v živém, zvláště pak eukaryotickém světě skutečně malinko. Její genom je rovněž velmi úsporně organizován. Sečteno a podtrženo: všechny tyto vlastnosti z ní dělají skvělého kandidáta na studium takových fenoménů, jako je životní cyklus buňky a její dělení, buněčná polarita, opravy poškozené DNA a další.

O vlastnostech kmenů poltivé kvasinky, které využívají vědci v laboratořích, dnes víme skutečně mnoho. O to překvapivější je zjištění, že o divoce žijících kvasinkách tohoto druhu, jejich způsobu života a šíření po světě nevíme prakticky vůbec nic. Toto bílé místo na mapě lidského poznání živého světa začalo být zaplňováno teprve díky práci kolektivu koordinovaného Danielem C. Jeffaresem z laboratoře Jürga Bählera na University College London, jehož součástí byl i Martin Převorovský. Pátrání po historii Schizosaccharomyces pombe je skutečnou vědeckou detektivkou.

„V průběhu poslední zhruba stovky let se podařilo objevit 161 různých kmenů této kvasinky. Tyto izoláty pocházejí z procesů souvisejících s lidskou činností, kde se naleznou relativně snadno,“ popisuje Martin Převorovský. „Když jsem byl před čtyřmi lety na postdoktorském pobytu v laboratoři u Jürga Bählera, která má velmi mezinárodní složení, odjížděli její členové do svých domovů se speciálním úkolem: nasbírat co nejvíce materiálu, na němž by se mohla kvasinka vyskytovat. Zpět do Londýna jsme tedy navozili řadu objektů od rostlin po mrtvé čmeláky. Pátrání po divoké kvasince však bylo bezvýsledné - nenalezli jsme ji nikde,“ shrnuje překvapivé výsledky Převorovský.

Pátrání po kvasinkách v přírodě nepřineslo žádné výsledky až doposud a jejich život ve volné přírodě je dnes stále nijak nezmenšenou záhadou. Díky možnostem, které dávají biologům do rukou moderní techniky sekvenování genomu (tedy „čtení“ dědičné informace), populační genetiky a bioinformatiky, je však do jisté míry možné do historie a současnosti divokých kvasinek nahlédnout. Vědci nejprve přečetli (osekvenovali) jaderný i mitochondriální genom všech 161 kmenů tohoto mikroorganismu, které jsou doposud vědě známé. Z porovnání získaných dat bylo možné vyčíst řadu důležitých informací.

V první řadě se vědcům podařilo získat vůbec první informace o historii evoluce této kvasinky (kladogramy) i o jejím šíření po světě. To, že se s ní dnes setkáme prakticky po celém světě, má jednoznačně na svědomí člověk. Podle molekulárních dat začalo její šíření někdy okolo roku 340 před naším letopočtem. Do Ameriky pak dorazili předkové současných kvasinek kolem roku 1623.

Rozsáhlé porovnávání genových sad umožnilo také identifikovat nové, u laboratorních kvasinek neznámé geny. Z asi třicítky nových objevů byla většina typicky „houbových“. Našel se zde však i gen, jenž pochází z jednoho druhu bakterie, která je rostlinným patogenem. „Získání tohoto genu od bakterie je dalším z náznaků ekologie divokých kvasinek. Zdá se, že skutečně žijí v blízkosti rostlin, stoprocentní jistotu však zatím stále nemáme,“ vysvětluje Martin Převorovský.

Práce týmu, přesněji spíše řady týmů rozesetých po celém světě, se však nezastavila pouze u genetiky. Jednotlivé kmeny byly také v laboratoři nakultivovány, aby vědci mohli porovnávat nejen geny, ale také reálnou podobu celých živých organismů – odborně řečeno jejich fenotypy. Ty lze zobrazit například prostřednictvím mikroskopu nebo sledováním růstu kvasinkových kolonií na různých živných médiích a takto získané obrazy porovnat. „Právě v této oblasti tkvěl můj příspěvek do celého projektu. Vzhledem k tomu, že mám s prací s tímto laboratorním organismem bohaté zkušenosti, mohl jsem navrhnout testy i vhodné kontroly a vyhodnocovat data, která vzešla z analýz makroskopických obrazů kolonií,“ popisuje Převorovský.

A jaké jsou zatím pointy tohoto prvního detektivního pátrání ve světě divokých kvasinek? „Týmu jakožto celku se podařilo prošlápnout cestu k využití kvasinky Schizosaccharomyces pombe pro takzvané celogenomové asociační studie, které jsou dnes velmi populární zejména v genetice člověka,“ shrnuje Převorovský. Takovéto studie pátrají po podmínění jistých fenotypových rysů geny. Ne však genem jedním, ale souhrou řady genů rozmístěných po celém genomu. Díky šíři genetických dat a postupnému poznávání souvislostí mezi geny a jejich fenotypovými projevy máme nyní v rukou model, který umožňuje rozlišit vlohy zodpovědné za daný fenotyp až na úroveň záměny v jednom nukleotidu (tedy jediném „písmenku“ DNA).

„V případě, že pátráme po příčinách vysokého krevního tlaku u lidí, nám asi nebudou závěry získané prostřednictvím kvasinek příliš dobré. Budeme-li se však zabývat mechanismy oprav DNA poškozené třeba působením ultrafialového záření, nalezneme mezi lidskými buňkami a kvasinkami řadu podobností. Jelikož je kvasinka hojně využívána právě jako model pro takové případy, otevírá naše studie před vědou další široké pole možností,“ uzavírá Martin Převorovský.