Saccharomyces cerevisiae

Saccharomyces cerevisiae () (levadura de cerveza o levadura de panadería) es una especie de levadura (microorganismos fúngicos unicelulares). La especie ha sido fundamental en la elaboración del vino, la cocción y la elaboración de cerveza desde la antigüedad. Se cree que se aisló originalmente de la piel de las uvas. Es uno de los organismos modelo eucarióticos más intensamente estudiados en biología molecular y celular, al igual que Escherichia coli como bacteria modelo. Es el microorganismo detrás del tipo de fermentación más común. S. Las células de cerevisiae son redondas a ovoides, de 5 a 10 μm de diámetro. Se reproduce por gemación.

Muchas proteínas importantes en la biología humana se descubrieron por primera vez al estudiar sus homólogos en la levadura; estas proteínas incluyen proteínas del ciclo celular, proteínas de señalización y enzimas de procesamiento de proteínas. S. cerevisiae es actualmente la única célula de levadura que se sabe que tiene cuerpos de Berkeley presentes, que están involucrados en vías secretoras particulares. Anticuerpos contra S. cerevisiae se encuentran en el 60-70 % de los pacientes con enfermedad de Crohn y en el 10-15 % de los pacientes con colitis ulcerosa, y pueden ser útiles como parte de un panel de marcadores serológicos para diferenciar entre enfermedades inflamatorias del intestino (por ejemplo, entre la colitis ulcerosa y la enfermedad de Crohn), su localización y gravedad.

Etimología

"Saccharomyces" deriva del griego latinizado y significa "molde de azúcar" o "hongo de azúcar", saccharon (σάκχαρον) siendo la forma combinada "azúcar" y myces (μύκης) siendo "hongo". cerevisiae proviene del latín y significa "de cerveza". Otros nombres para el organismo son:

• Levadura de cerveza, aunque otras especies también se utilizan en la elaboración
• Levadura
• Levadura de alto nivel
• Levadura de Baker
• Levadura de Ragi, en relación con hacer tapai
• Levadura de Budding

Esta especie es también la principal fuente de levadura nutricional y extracto de levadura.

Historia

En el siglo XIX, los panaderos obtenían su levadura de los cerveceros, y esto condujo a panes dulces fermentados como el Imperial "Kaisersemmel" rollo, que en general carecía de la acidez creada por la acidificación típica de Lactobacillus. Sin embargo, los cerveceros cambiaron lentamente de levadura de fermentación alta (S. cerevisiae) a levadura de fermentación baja (S. pastorianus). El Proceso de Viena se desarrolló en 1846. Si bien la innovación a menudo se atribuye popularmente al uso de vapor en hornos de cocción, lo que lleva a una característica de corteza diferente, se destaca por incluir procedimientos para una alta molienda de granos (ver sémola de Viena), romperlos gradualmente en lugar de machacarlos con una sola pasada; así como mejores procesos para cultivar y cosechar levaduras de alta fermentación, conocidas como press-yeast.

Los refinamientos en microbiología que siguieron al trabajo de Louis Pasteur condujeron a métodos más avanzados de cultivo de cepas puras. En 1879, Gran Bretaña introdujo tanques de cultivo especializados para la producción de S. cerevisiae, y en los Estados Unidos a principios de siglo se usaban centrífugas para concentrar la levadura, convirtiendo la producción de levadura en un importante proceso industrial que simplificó su distribución, redujo los costes unitarios y contribuyó a la comercialización y mercantilización del pan y la cerveza. "levadura para pasteles" fresca se convirtió en la levadura estándar para los panaderos en gran parte del mundo occidental a principios del siglo XX.

Durante la Segunda Guerra Mundial, Fleischmann's desarrolló una levadura seca activa granulada para las fuerzas armadas de los Estados Unidos, que no requería refrigeración y tenía una vida útil más larga y una mejor tolerancia a la temperatura que la levadura fresca; sigue siendo la levadura estándar para las recetas militares estadounidenses. La compañía creó una levadura que crecería el doble de rápido, reduciendo el tiempo de horneado. Más tarde, Lesaffre crearía levadura instantánea en la década de 1970, que ha ganado un uso y una participación de mercado considerables a expensas de la levadura fresca y seca en sus diversas aplicaciones.

Biología

Colonias de levadura en un plato de agar.

Ecología

En la naturaleza, las células de levadura se encuentran principalmente en frutas maduras como las uvas (antes de la maduración, las uvas están casi libres de levaduras). S. cerevisiae también se puede encontrar durante todo el año en la corteza de los robles. Desde S. cerevisiae no se transporta por el aire, requiere un vector para moverse.

Las reinas de las avispas sociales que pasan el invierno como adultas (Vespa crabro y Polistes spp.) pueden albergar células de levadura desde el otoño hasta la primavera y transmitirlas a su descendencia. El intestino de Polistes dominula, una avispa social, alberga S. cerevisiae, así como S. cerevisiae × S. híbridos paradoxus. Stefanini et al. (2016) demostraron que el intestino de Polistes dominula favorece el apareamiento de S. cerevisiae, tanto entre sí como con S. paradoxus proporcionando las condiciones ambientales que provocan la esporulación celular y la germinación de las esporas.

La temperatura óptima para el crecimiento de S. cerevisiae es de 30 a 35 °C (86 a 95 °F).

Ciclo de vida

Dos formas de células de levadura pueden sobrevivir y crecer: haploides y diploides. Las células haploides experimentan un ciclo de vida simple de mitosis y crecimiento, y en condiciones de alto estrés, en general, mueren. Esta es la forma asexual del hongo. Las células diploides (la 'forma' preferencial de la levadura) se someten de manera similar a un ciclo de vida simple de mitosis y crecimiento. La velocidad a la que progresa el ciclo celular mitótico a menudo difiere sustancialmente entre células haploides y diploides. En condiciones de estrés, las células diploides pueden esporularse, entrar en meiosis y producir cuatro esporas haploides, que posteriormente pueden aparearse. Esta es la forma sexual del hongo. En condiciones óptimas, las células de levadura pueden duplicar su población cada 100 minutos. Sin embargo, las tasas de crecimiento varían enormemente entre cepas y entre ambientes. La vida media replicativa es de unas 26 divisiones celulares.

En la naturaleza, las mutaciones nocivas recesivas se acumulan durante largos períodos de reproducción asexual de los diploides y se eliminan durante la autofecundación: esta eliminación se ha denominado "renovación del genoma".

Requerimientos nutricionales

Todas las cepas de S. cerevisiae puede crecer aeróbicamente con glucosa, maltosa y trehalosa y no crece con lactosa y celobiosa. Sin embargo, el crecimiento de otros azúcares es variable. Se ha demostrado que la galactosa y la fructosa son dos de los mejores azúcares de fermentación. La capacidad de las levaduras para usar diferentes azúcares puede diferir dependiendo de si se cultivan de forma aeróbica o anaeróbica. Algunas cepas no pueden crecer anaeróbicamente con sacarosa y trehalosa.

Todas las cepas pueden usar amoníaco y urea como única fuente de nitrógeno, pero no pueden usar nitrato, ya que carecen de la capacidad de reducirlos a iones de amonio. También pueden usar la mayoría de los aminoácidos, péptidos pequeños y bases nitrogenadas como fuentes de nitrógeno. Sin embargo, la histidina, la glicina, la cistina y la lisina no se utilizan fácilmente. S. cerevisiae no excreta proteasas, por lo que la proteína extracelular no se puede metabolizar.

Las levaduras también necesitan fósforo, que se asimila como ion fosfato de dihidrógeno, y azufre, que se puede asimilar como ion sulfato o como compuestos orgánicos de azufre, como los aminoácidos metionina y cisteína. Algunos metales, como magnesio, hierro, calcio y zinc, también son necesarios para el buen crecimiento de la levadura.

Con respecto a los requisitos orgánicos, la mayoría de las cepas de S. cerevisiae requieren biotina. De hecho, un S. El ensayo de crecimiento basado en cerevisiae sentó las bases para el aislamiento, la cristalización y la posterior determinación estructural de la biotina. La mayoría de las cepas también requieren pantotenato para un crecimiento completo. En general, S. cerevisiae es protótrofa para las vitaminas.

Apareamiento

Saccharomyces cerevisiae Tipo de apareamiento a con un abulto celular llamado shmoo en respuesta a α-factor

La levadura tiene dos tipos de apareamiento, a y α (alfa), que muestran aspectos primitivos de la diferenciación sexual. Como en muchos otros eucariotas, el apareamiento conduce a la recombinación genética, es decir, a la producción de nuevas combinaciones de cromosomas. Dos células de levadura haploides de tipo de apareamiento opuesto pueden aparearse para formar células diploides que pueden esporular para formar otra generación de células haploides o continuar existiendo como células diploides. Los biólogos han explotado el apareamiento como una herramienta para combinar genes, plásmidos o proteínas a voluntad.

La vía de apareamiento emplea un receptor acoplado a proteína G, proteína G, proteína RGS y una cascada de señalización de MAPK de tres niveles que es homóloga a la que se encuentra en los humanos. Los biólogos han aprovechado esta característica para investigar los mecanismos básicos de transducción de señales y desensibilización.

Ciclo celular

El crecimiento de la levadura está sincronizado con el crecimiento de la yema, que alcanza el tamaño de la célula madura cuando se separa de la célula madre. En cultivos de levadura bien nutridos y de rápido crecimiento, todas las células tienen yemas, ya que la formación de yemas ocupa todo el ciclo celular. Tanto las células madre como las hijas pueden iniciar la formación de yemas antes de que se produzca la separación celular. En cultivos de levadura que crecen más lentamente, se pueden ver células que carecen de brotes y la formación de brotes solo ocupa una parte del ciclo celular.

Citocinesis

La citocinesis permite que la levadura en ciernes Saccharomyces cerevisiae se divida en dos células hijas. S. cerevisiae forma un brote que puede crecer a lo largo de su ciclo celular y luego abandona su célula madre cuando se completa la mitosis.

S. cerevisiae es relevante para los estudios del ciclo celular porque se divide asimétricamente mediante el uso de una célula polarizada para producir dos hijas con diferentes destinos y tamaños. De manera similar, las células madre utilizan la división asimétrica para la autorrenovación y la diferenciación.

Tiempo

Para muchas células, la fase M no ocurre hasta que se completa la fase S. Sin embargo, para la entrada en mitosis en S. cerevisiae esto no es cierto. La citocinesis comienza con el proceso de gemación a finales de G1 y no se completa hasta aproximadamente la mitad del siguiente ciclo. El ensamblaje del huso puede ocurrir antes de que la fase S haya terminado de duplicar los cromosomas. Además, hay una falta de G2 claramente definido entre M y S. Por lo tanto, hay una falta de regulación extensiva presente en los eucariotas superiores.

Cuando emerge la hija, la hija tiene dos tercios del tamaño de la madre. A lo largo del proceso, la madre muestra poco o ningún cambio de tamaño. La vía RAM se activa en la célula hija inmediatamente después de que se completa la citocinesis. Esta vía asegura que la hija se haya separado correctamente.

Anillo de actomiosina y formación del tabique primario

Dos eventos interdependientes impulsan la citocinesis en S. cerevisiae. El primer evento es la constricción del anillo de actomiosina contráctil (AMR) y el segundo evento es la formación del tabique primario (PS), una estructura de pared celular quitinosa que solo puede formarse durante la citocinesis. El PS se asemeja en animales al proceso de remodelación de la matriz extracelular. Cuando el AMR se contrae, el PS comienza a crecer. Interrumpir AMR desorienta al PS, lo que sugiere que ambos tienen un papel dependiente. Además, la alteración del PS también conduce a alteraciones en la AMR, lo que sugiere que tanto el anillo de actomiosina como el tabique primario tienen una relación de interdependencia.

El AMR, que está adherido a la membrana celular frente al citosol, consta de moléculas de actina y miosina II que coordinan la división de las células. Se cree que el anillo juega un papel importante en la penetración de la membrana plasmática como fuerza contráctil.

La coordinación adecuada y el ensamblaje posicional correcto del anillo contráctil dependen de los tabiques, que son los precursores del anillo del tabique. Estas GTPasas ensamblan complejos con otras proteínas. Los tabiques forman un anillo en el sitio donde se creará la yema durante G1 tardío. Ayudan a promover la formación del anillo de actina-miosina, aunque se desconoce este mecanismo. Se sugiere que ayuden a proporcionar soporte estructural para otros procesos de citocinesis necesarios. Después de que emerge un capullo, el anillo del tabique forma un reloj de arena. El reloj de arena de septina y el anillo de miosina juntos son el comienzo del sitio de la futura división.

La septina y el complejo AMR progresan para formar el tabique primario que consta de glucanos y otras moléculas quitinosas enviadas por vesículas desde el aparato de Golgi. Una vez completada la constricción de AMR, los glucanos forman dos tabiques secundarios. Cómo se desarma el anillo AMR sigue siendo poco desconocido.

Los microtúbulos no juegan un papel tan importante en la citocinesis en comparación con la AMR y el tabique. La interrupción de los microtúbulos no perjudicó significativamente el crecimiento polarizado. Por lo tanto, la AMR y la formación de tabiques son los principales impulsores de la citocinesis.

Diferencias con la levadura de fisión

• La levadura de Budding forma un brote de la célula madre. Este brote crece durante el ciclo celular y separa; la levadura de fisión se divide formando una pared celular
• La citoquinesis comienza en el G1 para la levadura que brota, mientras la citoquinesis comienza en el G2 para la levadura de fisión. La levadura de fisión "selecciona" el punto medio, mientras que la levadura que brota "selecciona" un sitio de brotes
• Durante el anafase temprano el anillo y el septum de la actomyosina sigue desarrollándose en la levadura brotante, en la levadura de la fisión durante el metafase-anafase el anillo de la manifestación comienza a desarrollarse

En investigación biológica

Organismo modelo

S. cerevisiae, imagen de contraste de interferencia diferencial

Saccharomyces cerevisiae
Las garrapatas numeradas son 11 micrometros separados.

Cuando los investigadores buscan un organismo para usar en sus estudios, buscan varios rasgos. Entre estos se encuentran el tamaño, el tiempo de generación, la accesibilidad, la manipulación, la genética, la conservación de mecanismos y el beneficio económico potencial. La especie de levadura S. pombe y S. cerevisiae están bien estudiados; estas dos especies divergieron hace aproximadamente hace 600 a 300 millones de años y son herramientas importantes en el estudio del daño y los mecanismos de reparación del ADN.

S. cerevisiae se ha desarrollado como un organismo modelo porque obtiene una puntuación favorable en varios de estos criterios.

• Como organismo de una sola célula, S. cerevisiae es pequeño con un tiempo de corta generación (tiempo doble 1,25–2 horas a 30 °C o 86 °F) y se puede cultivar fácilmente. Estas son todas características positivas en que permiten la rápida producción y mantenimiento de múltiples líneas de especímenes a bajo costo.
• S. cerevisiae divide con meiosis, permitiendo que sea un candidato para la investigación genética sexual.
• S. cerevisiae se puede transformar permitiendo la adición de nuevos genes o la eliminación a través de la recombinación homologosa. Además, la capacidad de crecer S. cerevisiae como un haploide simplifica la creación de cepas de ADN gen.
• Como eucariota, S. cerevisiae comparte la compleja estructura de células internas de plantas y animales sin el alto porcentaje de ADN no codificación que puede confundir la investigación en eucariotas superiores.
• S. cerevisiae la investigación es un fuerte impulso económico, al menos inicialmente, como resultado de su uso establecido en la industria.

En el estudio del envejecimiento

Desde hace más de cinco décadas S. cerevisiae se ha estudiado como organismo modelo para comprender mejor el envejecimiento y ha contribuido a la identificación de más genes de mamíferos que afectan al envejecimiento que cualquier otro organismo modelo. Algunos de los temas estudiados con levadura son la restricción calórica, así como en genes y vías celulares involucradas en la senescencia. Los dos métodos más comunes para medir el envejecimiento en la levadura son la vida útil replicativa (RLS), que mide la cantidad de veces que una célula se divide, y la vida útil cronológica (CLS), que mide cuánto tiempo puede sobrevivir una célula en una estasis sin división. estado. Se ha demostrado que limitar la cantidad de glucosa o aminoácidos en el medio de cultivo aumenta el RLS y el CLS en la levadura y en otros organismos. Al principio, se pensó que esto aumentaba el RLS al regular al alza la enzima sir2; sin embargo, más tarde se descubrió que este efecto es independiente de sir2. Se ha demostrado que la sobreexpresión de los genes sir2 y fob1 aumenta el RLS al prevenir la acumulación de círculos de ADNr extracromosómicos, que se cree que son una de las causas de la senescencia en la levadura. Los efectos de la restricción dietética pueden ser el resultado de una disminución de la señalización en la vía celular TOR. Esta vía modula la respuesta de la célula a los nutrientes, y se encontró que las mutaciones que disminuyen la actividad de TOR aumentan CLS y RLS. Esto también se ha demostrado que es el caso en otros animales. Un mutante de levadura que carece de los genes Sch9 y Ras2 ha sido recientemente Se ha demostrado que tiene un aumento de diez veces en la vida útil cronológica en condiciones de restricción calórica y es el aumento más grande logrado en cualquier organismo.

Las células madre dan lugar a brotes de progenie por divisiones mitóticas, pero experimentan un envejecimiento replicativo durante generaciones sucesivas y finalmente mueren. Sin embargo, cuando una célula madre sufre meiosis y gametogénesis, la vida útil se reinicia. El potencial de replicación de los gametos (esporas) formados por células envejecidas es el mismo que el de los gametos formados por células jóvenes, lo que indica que el daño asociado con la edad se elimina por meiosis de las células madre envejecidas. Esta observación sugiere que durante la meiosis la eliminación de los daños asociados con la edad conduce al rejuvenecimiento. Sin embargo, queda por establecer la naturaleza de estos daños.

Durante la inanición de S. cerevisiae, las especies reactivas de oxígeno aumentan, lo que conduce a la acumulación de daños en el ADN, como sitios apurínicos/apirimidínicos y roturas de doble cadena. También en las células que no se replican, la capacidad de reparar las roturas endógenas de doble cadena disminuye durante el envejecimiento cronológico.

Meiosis, recombinación y reparación del ADN

S. cerevisiae se reproduce por mitosis como células diploides cuando los nutrientes son abundantes. Sin embargo, cuando mueren de hambre, estas células sufren meiosis para formar esporas haploides.

Evidencia de estudios de S. cerevisiae influyen en la función adaptativa de la meiosis y la recombinación. Mutaciones defectuosas en genes esenciales para la recombinación meiótica y mitótica en S. cerevisiae causan una mayor sensibilidad a la radiación o a los productos químicos que dañan el ADN. Por ejemplo, se requiere el gen rad52 tanto para la recombinación meiótica como para la recombinación mitótica. Los mutantes Rad52 tienen una mayor sensibilidad a la muerte por rayos X, metanosulfonato de metilo y el agente de entrecruzamiento del ADN 8-metoxipsoraleno-más-UVA, y muestran una recombinación meiótica reducida. Estos hallazgos sugieren que la reparación por recombinación durante la meiosis y la mitosis es necesaria para reparar los diferentes daños causados por estos agentes.

Ruderfer et al. (2006) analizó la ascendencia de S naturales. cerevisiae y concluyeron que el entrecruzamiento ocurre solo una vez cada 50,000 divisiones celulares. Por lo tanto, parece que en la naturaleza, el apareamiento es probablemente más frecuente entre células de levadura estrechamente relacionadas. El apareamiento ocurre cuando las células haploides de tipo de apareamiento opuesto MATa y MATα entran en contacto. Ruderfer et al. señaló que tales contactos son frecuentes entre células de levadura estrechamente relacionadas por dos razones. La primera es que las células de tipo de apareamiento opuesto están presentes juntas en el mismo ascus, el saco que contiene las células producidas directamente por una sola meiosis, y estas células pueden aparearse entre sí. La segunda razón es que las células haploides de un tipo de apareamiento, tras la división celular, a menudo producen células del tipo de apareamiento opuesto con las que pueden aparearse. La relativa rareza en la naturaleza de los eventos meióticos que resultan del cruce es inconsistente con la idea de que la producción de variación genética es la principal fuerza selectiva que mantiene la meiosis en este organismo. Sin embargo, este hallazgo es consistente con la idea alternativa de que la principal fuerza selectiva que mantiene la meiosis es la reparación recombinacional mejorada del daño del ADN, ya que este beneficio se realiza durante cada meiosis, ya sea que ocurra o no el entrecruzamiento.

Secuenciación del genoma

S. cerevisiae fue el primer genoma eucariótico en ser completamente secuenciado. La secuencia del genoma se hizo pública el 24 de abril de 1996. Desde entonces, se han mantenido actualizaciones periódicas en la base de datos del genoma de Saccharomyces. Esta base de datos es una base de datos altamente anotada y con referencias cruzadas para investigadores de levadura. Otro importante S. La base de datos de cerevisiae es mantenida por el Centro de Información de Secuencias de Proteínas de Munich (MIPS). Más información se encuentra en el repositorio curado de Yeasttract.

El S. cerevisiae está compuesto por aproximadamente 12.156.677 pares de bases y 6.275 genes, organizados de forma compacta en 16 cromosomas. Se cree que solo unos 5.800 de estos genes son funcionales. Se estima que al menos el 31% de los genes de levadura tienen homólogos en el genoma humano. Los genes de levadura se clasifican mediante símbolos genéticos (como Sch9) o nombres sistemáticos. En el último caso, los 16 cromosomas de la levadura están representados por las letras de la A a la P, luego el gen se clasifica además por un número de secuencia en el brazo izquierdo o derecho del cromosoma, y una letra que muestra cuál de las dos cadenas de ADN contiene su secuencia de codificación.

Ejemplos:

• YBR134C (aka SUP45 encoding eRF1, un factor de terminación de la traducción) se encuentra en el brazo derecho del cromosoma 2 y es el marco de lectura abierta 134 (ORF) en ese brazo, comenzando desde el centromere. La secuencia de codificación está en el hilo de Crick del ADN.
• YDL102W (aka POL3 encoding a subunit of DNA polymerase delta) se encuentra en el brazo izquierdo del cromosoma 4; es el 102o ORF del centromere y códigos del hilo Watson del ADN.

Función e interacciones de los genes

La disponibilidad del S. cerevisiae secuencia del genoma y un conjunto de mutantes de deleción que cubren el 90% del genoma de la levadura ha mejorado aún más el poder de S. cerevisiae como modelo para comprender la regulación de las células eucariotas. Un proyecto en curso para analizar las interacciones genéticas de todos los mutantes de doble deleción a través del análisis de matrices genéticas sintéticas llevará esta investigación un paso más allá. El objetivo es formar un mapa funcional de los procesos de la célula.

A partir de 2010, un modelo de interacciones genéticas es el más completo que se ha construido hasta ahora y contiene "los perfiles de interacción para ~75% de todos los genes en la levadura en ciernes". Este modelo se hizo a partir de 5,4 millones de comparaciones de dos genes en las que se realizó una doble desactivación de genes para cada combinación de los genes estudiados. Se comparó el efecto del doble knockout sobre la aptitud de la célula con la aptitud esperada. La aptitud esperada se determina a partir de la suma de los resultados de la aptitud de los knockouts de un solo gen para cada gen comparado. Cuando hay un cambio en la aptitud de lo esperado, se supone que los genes interactúan entre sí. Esto se probó comparando los resultados con lo que se conocía previamente. Por ejemplo, los genes Par32, Ecm30 y Ubp15 tenían perfiles de interacción similares a los genes involucrados en el proceso celular del módulo de clasificación Gap1. De acuerdo con los resultados, estos genes, cuando fueron eliminados, interrumpieron ese proceso, lo que confirma que son parte de él.

A partir de esto, se encontraron 170 000 interacciones genéticas y se agruparon los genes con patrones de interacción similares. Los genes con perfiles de interacción genética similares tienden a ser parte de la misma vía o proceso biológico. Esta información se utilizó para construir una red global de interacciones de genes organizada por función. Esta red se puede utilizar para predecir la función de genes no caracterizados en función de las funciones de los genes con los que se agrupan.

Otras herramientas en la investigación de levaduras

Los científicos de la levadura han desarrollado enfoques que se pueden aplicar en muchos campos diferentes de la ciencia biológica y médica. Estos incluyen dos híbridos de levadura para estudiar interacciones de proteínas y análisis de tétradas. Otros recursos incluyen una biblioteca de supresión de genes que incluye ~4700 cepas viables haploides de supresión de un solo gen. Una biblioteca de cepas de fusión GFP utilizada para estudiar la localización de proteínas y una biblioteca de etiquetas TAP utilizada para purificar proteínas de extractos de células de levadura.

El proyecto de eliminación de levaduras de la Universidad de Stanford creó mutaciones knockout de cada gen en el S. cerevisiae genoma para determinar su función.

Cromosomas y genomas sintéticos de levadura

El genoma de la levadura es muy accesible a la manipulación, por lo que es un modelo excelente para la ingeniería genómica.

El proyecto internacional del genoma de la levadura sintética (Sc2.0 o Saccharomyces cerevisiae versión 2.0) tiene como objetivo construir un S. cerevisiae genoma desde cero que es más estable que el tipo salvaje. En el genoma sintético se eliminan todos los transposones, elementos repetitivos y muchos intrones, todos los codones de parada UAG se reemplazan con UAA y los genes de ARN de transferencia se trasladan a un nuevo neocromosoma. Hasta marzo de 2017, se sintetizaron y probaron 6 de los 16 cromosomas. No se han encontrado defectos de aptitud significativos.

Los 16 cromosomas se pueden fusionar en un solo cromosoma mediante fusiones cromosómicas de extremo a extremo sucesivas y eliminaciones de centrómeros. Las células de levadura de un solo cromosoma y de tipo salvaje tienen transcriptomas casi idénticos y fenotipos similares. El cromosoma único gigante puede soportar la vida celular, aunque esta cepa muestra un crecimiento reducido en todos los entornos, competitividad, producción de gametos y viabilidad.

Astrobiología

Entre otros microorganismos, una muestra de S. cerevisiae se incluyó en el Living Interplanetary Flight Experiment, que habría completado un viaje de ida y vuelta interplanetario de tres años en una pequeña cápsula a bordo de la nave espacial rusa Fobos-Grunt, lanzada a fines de 2011. El objetivo era probar si se seleccionaron los organismos podrían sobrevivir algunos años en el espacio profundo volándolos a través del espacio interplanetario. El experimento habría puesto a prueba un aspecto de la transpermia, la hipótesis de que la vida podría sobrevivir a los viajes espaciales, si estuviera protegida dentro de rocas que volaron por el impacto de un planeta para aterrizar en otro. Sin embargo, la misión de Fobos-Grunt terminó sin éxito cuando no logró escapar de la órbita terrestre baja. La nave espacial junto con sus instrumentos cayeron al Océano Pacífico en un reingreso descontrolado el 15 de enero de 2012. La próxima misión de exposición planificada en el espacio profundo usando S. cerevisiae es BioSentinel. (ver: Lista de microorganismos probados en el espacio exterior)

En aplicaciones comerciales

Elaboración

Saccharomyces cerevisiae se utiliza en la elaboración de cerveza, cuando a veces se le llama levadura de fermentación superior o de cultivo superior. Se llama así porque durante el proceso de fermentación su superficie hidrofóbica hace que los flóculos se adhieran al CO₂ y suban a la parte superior del recipiente de fermentación. Las levaduras de alta fermentación se fermentan a temperaturas más altas que la levadura lager Saccharomyces pastorianus, y las cervezas resultantes tienen un sabor diferente al de la misma bebida fermentada con una levadura lager. "Ésteres de frutas" puede formarse si la levadura se somete a temperaturas cercanas a los 21 °C (70 °F), o si la temperatura de fermentación de la bebida fluctúa durante el proceso. La levadura lager normalmente fermenta a una temperatura de aproximadamente 5 °C (41 °F), donde Saccharomyces cerevisiae entra en estado latente. Una variante de la levadura conocida como Saccharomyces cerevisiae var. diastaticus es un spoiler de la cerveza que puede provocar fermentaciones secundarias en los productos envasados.

En mayo de 2013, la legislatura de Oregon hizo S. cerevisiae el microbio oficial del estado en reconocimiento al impacto que ha tenido la elaboración de cerveza artesanal en la economía y la identidad del estado.

Hornear

S. cerevisiae se usa para hornear; el dióxido de carbono generado por la fermentación se utiliza como agente leudante en el pan y otros productos horneados. Históricamente, este uso estuvo estrechamente relacionado con el uso de la levadura en la industria cervecera, ya que los panaderos tomaban o compraban la levadura o la espuma llena de levadura para elaborar cerveza a los cerveceros (que producían la torta de levadura); hoy en día, las cepas de levadura para cerveza y para hornear son algo diferentes.

Levadura nutricional

Saccharomyces cerevisiae es la principal fuente de levadura nutricional, que se vende comercialmente como producto alimenticio. Es popular entre veganos y vegetarianos como ingrediente en sustitutos del queso, o como aditivo alimentario general como fuente de vitaminas y minerales, especialmente aminoácidos y vitaminas del complejo B.

Usos en acuarios

Debido al alto costo de los sistemas comerciales de cilindros de CO₂, la inyección de CO2 con levadura es uno de los enfoques de bricolaje más populares seguido por los acuicultores para proporcionar CO₂ a plantas acuáticas. El cultivo de levadura, en general, se mantiene en botellas de plástico y los sistemas típicos proporcionan una burbuja cada 3 a 7 segundos. Se han ideado varios enfoques para permitir la absorción adecuada del gas en el agua.

Uso directo en medicina

Saccharomyces cerevisiae se utiliza como probiótico en humanos y animales. La cepa Saccharomyces cerevisiae var. boulardii se fabrica industrialmente y se usa clínicamente como medicamento.

Varios estudios clínicos y experimentales han demostrado que S. cerevisiae var. boulardii es, en mayor o menor medida, útil para la prevención o el tratamiento de diversas enfermedades gastrointestinales. Evidencia de calidad moderada ha demostrado que S. cerevisiae var. boulardii reduce el riesgo de diarrea asociada a antibióticos tanto en adultos como en niños y para reducir el riesgo de efectos adversos de la terapia de erradicación de Helicobacter pylori. Existe cierta evidencia que respalda la eficacia de S. cerevisiae var. boulardii en la prevención (pero no el tratamiento) de la diarrea del viajero y, al menos como medicación adjunta, en el tratamiento de la diarrea aguda en adultos y niños y de la diarrea persistente en niños. También puede reducir los síntomas de la rinitis alérgica.

Administración de S. cerevisiae var. boulardii se considera generalmente seguro. En los ensayos clínicos, los pacientes lo toleraron bien y la tasa de efectos adversos fue similar a la de los grupos de control (es decir, grupos con placebo o sin tratamiento). Ningún caso de S. cerevisiae var. boulardii se ha informado de fungemia durante los ensayos clínicos.

En la práctica clínica, sin embargo, los casos de fungemia, causados por S. cerevisiae var. boulardii son reportados. Los pacientes con inmunidad comprometida o aquellos con catéteres vasculares centrales tienen un riesgo especial. Algunos investigadores han recomendado evitar el uso de S. cerevisiae var. boulardii como tratamiento en dichos pacientes. Otros solo sugieren que se debe tener precaución con su uso en pacientes del grupo de riesgo.

Un patógeno humano

Se ha demostrado que

Saccharomyces cerevisiae es un patógeno humano oportunista, aunque de virulencia relativamente baja. A pesar del uso generalizado de este microorganismo en el hogar y en la industria, el contacto con él rara vez provoca una infección. Se encontró Saccharomyces cerevisiae en la piel, la cavidad oral, la orofaringe, la mucosa duodenal, el tracto digestivo y la vagina de humanos sanos (una revisión encontró que se informó en el 6 % de las muestras de intestino humano). Algunos especialistas consideran S. cerevisiae como parte de la microbiota normal del tracto gastrointestinal, el tracto respiratorio y la vagina de los humanos, mientras que otros creen que la especie no puede llamarse un verdadero comensal porque se origina en los alimentos. Presencia de S. cerevisiae en el sistema digestivo humano puede ser más bien transitorio; por ejemplo, los experimentos muestran que en el caso de la administración oral a individuos sanos, se elimina del intestino dentro de los 5 días posteriores al final de la administración.

Bajo ciertas circunstancias, como inmunidad degradada, Saccharomyces cerevisiae puede causar infección en humanos. Los estudios muestran que causa del 0,45 al 1,06 % de los casos de vaginitis inducida por hongos. En algunos casos, las mujeres que padecen S. cerevisiae-inducida por infección vaginal eran parejas íntimas de panaderos, y se encontró que la cepa era la misma que sus parejas usaban para hornear. A partir de 1999, ningún caso de S. cerevisiae-inducida por vaginitis en mujeres que trabajaban en panaderías, fueron reportadas en la literatura científica. Los investigadores vincularon algunos casos con el uso de la levadura en la repostería casera. Casos de infección de cavidad oral y faringe causadas por S. cerevisiae también son conocidas.

Infecciones invasivas y sistémicas

Ocasionalmente, Saccharomyces cerevisiae causa infecciones invasivas (es decir, ingresa al torrente sanguíneo u otro líquido corporal normalmente estéril o a un tejido profundo, como los pulmones, el hígado o el bazo) que pueden volverse sistémicas (involucrar a múltiples órganos). Tales condiciones son potencialmente mortales. Más del 30% de los casos de S. cerevisiae las infecciones invasivas conducen a la muerte incluso si se tratan. S. cerevisiae, sin embargo, las infecciones invasivas son mucho más raras que las infecciones invasivas causadas por Candida albicans, incluso en pacientes debilitados por el cáncer. S. cerevisiae causa del 1% al 3,6% de los casos nosocomiales de fungemia. Una revisión exhaustiva de S. cerevisiae los casos de infección invasiva encontraron que todos los pacientes tenían al menos una condición predisponente.

Saccharomyces cerevisiae puede entrar en el torrente sanguíneo o llegar a otros lugares profundos del cuerpo por translocación desde la mucosa oral o enteral o por contaminación de catéteres intravasculares (p. ej., catéteres venosos centrales). Los catéteres intravasculares, la terapia con antibióticos y la inmunidad comprometida son los principales factores predisponentes para S. cerevisiae infección invasiva.

Varios casos de fungemia fueron causados por la ingestión intencional de S. cerevisiae por razones dietéticas o terapéuticas, incluido el uso de Saccharomyces boulardii (una cepa de S. cerevisiae que se utiliza como probiótico para el tratamiento de ciertas formas de diarrea). Saccharomyces boulardii causa alrededor del 40 % de los casos de infecciones invasivas por Saccharomyces y es más probable (en comparación con otras cepas de S. cerevisiae) que cause una infección invasiva en humanos sin problemas generales con la inmunidad, aunque dicho efecto adverso es muy raro en relación con la administración terapéutica de Saccharomyces boulardii.

S. boulardii puede contaminar los catéteres intravasculares a través de las manos del personal médico involucrado en la administración de preparaciones probióticas de S. boulardii a los pacientes.

La infección sistémica generalmente ocurre en pacientes que tienen su inmunidad comprometida debido a una enfermedad grave (VIH/SIDA, leucemia, otras formas de cáncer) o ciertos procedimientos médicos (trasplante de médula ósea, cirugía abdominal).

Se notificó un caso en el que se extirpó quirúrgicamente un nódulo de un pulmón de un hombre empleado en un negocio de panadería y el examen del tejido reveló la presencia de Saccharomyces cerevisiae. Se supone que la inhalación de polvo de levadura seca para hornear es la fuente de infección en este caso.

Virulencia de diferentes cepas

Estatua de Saccharomyces cerevisiae (Hustopeče, República Checa)

No todas las cepas de Saccharomyces cerevisiae son igualmente virulentas para los humanos. La mayoría de las cepas ambientales no son capaces de crecer a temperaturas superiores a 35 °C (es decir, a las temperaturas del cuerpo vivo de humanos y otros mamíferos). Sin embargo, las cepas virulentas son capaces de crecer al menos por encima de los 37 °C y, a menudo, hasta los 39 °C (raramente hasta los 42 °C). Algunas cepas industriales también son capaces de crecer por encima de los 37 °C. La Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria (a partir de 2017) requiere que todos los S. Las cepas de cerevisiae capaces de crecer por encima de los 37 °C que se añaden a la cadena alimentaria o de piensos en forma viable, para ser calificadas como presuntamente seguras, no deben mostrar resistencia a los fármacos antimicóticos utilizados para el tratamiento de las infecciones por levaduras.

La capacidad de crecer a temperaturas elevadas es un factor importante para la virulencia de la cepa, pero no el único.

Otros rasgos que generalmente se cree que están asociados con la virulencia son: capacidad para producir ciertas enzimas como proteinasa y fosfolipasa, crecimiento invasivo (es decir, crecimiento con intrusión en el medio nutritivo), capacidad para adherirse a células de mamíferos, capacidad para sobrevivir en presencia de peróxido de hidrógeno (que utilizan los macrófagos para matar microorganismos extraños en el cuerpo) y otras capacidades que permiten que la levadura resista o influya en la respuesta inmunitaria del cuerpo huésped. La capacidad de formar cadenas ramificadas de células, conocidas como pseudohifas, también se asocia a veces con la virulencia, aunque algunas investigaciones sugieren que este rasgo puede ser común a las cepas virulentas y no virulentas de Saccharomyces cerevisiae.