H D B M B – 4 0 G O D I N A

HRVATSKO PRIRODOSLOVNO DRU[TVO (OSNOVANO 1885.) Mjese~nik za popularizaciju

prirodnih znanosti

Godina 106., Broj 1049

25 KUNAPriroda izlazi od 1911. godine

ISSN 0351-0662

1–2/16.

Priroda

PRIRODA • SRPANJ/KOLOVOZ • 2015.58

D O G A \ A N J A

PRIRODA • SIJE�ANJ/VELJA�A • 2016.58

B I O T E H N O L O G I J A

Igor STUPAREVI�, Zagreb

Iz povijesti

Što je prvo što nam padne na pamet kad �ujemo rije� kva-sac? Pivo. Kruh. Vino. Da, upravo tako. Kvasac je naš vjerni pratitelj ve� tisu�ama godina i koristi se za proi-

zvodnju proizvoda u kojima uživamo svakodnevno. Zanimljivo je da su ve� Sumerani oko 6000. g. pr. Kr. koristili kvasac i proces fermentacije za proizvodnju piva i vina, a stare egipatske kulture oko 5000. g. pr. Kr. za dizanje tijesta. Isto tako postoje zapisi da su Vikinzi koristili »pivske štapi�e« pri proizvodnji piva, a to su zapravo bili drveni štapi�i koji su sadržavali kolo-nije stanica kvasca. Me�utim, sve te stare kulture nisu razu-mjele ni ulogu kvasca u proizvodnji kao niti sam proces fer-mentacije. Tek je 1680. godine nizozemski istraživa� Anton van Leeuwenhoeck promatrao pivski kvasac pomo�u jedno-stavnog svjetlosnog mikroskopa, a 1857. godine francuski istra-živa� Louis Pasteur klasificirao kvasac kao fakultativni anaerob, što zna�i da se kvasac pri nedostatku kisika prebacuje na ana-erobni metabolizam koji nazivamo fermentacija. To je proces koji stanicama kvasca omogu�uje metaboliziranje še�era i pro-izvodnju alkohola kao nusprodukta. Latinski naziv najpoznati-jeg soja kvasca je Saccharomyces cerevisiae, rije� saccharomyces prevodi se kao slatka gljivica, jer dolazi od gr�kih rije�i saccharo (še�er) i myco (gljivice), a rije� cerevisiae preveli bi kao pivski.

Što je kvasac?

Kvasac Saccharomyces cerevisiae je eukariotski, nepatogeni mi-kroorganizam koji pripada carstvu gljiva. Iako postoji mnogo

razli�itih sojeva kvasaca najpoznatiji i najviše upotrebljavan u industrijskoj proizvodnji je soj Saccharomyces cerevisiae. Veli�i-ne je 5 do 10 mikrometara u promjeru i ima okrugli do ovalni oblik.

Kvasac je jednostani�ni organizam �ija je stani�na struktura sli�na višim eukariotima u koje pripadaju i ljudske stanice. Dvije �injenice, da je kvasac jednostani�ni eukariotski organi-zam i da su mnogi fiziološki procesi u kvascu sli�ni procesima u ljudskim stanicama (npr. replikacija DNA, transkripcija, pro-cesiranje RNA, stani�ni ciklus i njegova regulacija), �ine kva-

KvasacIZVOR ZNANJA O ŽIVOTU

Slika 1. Kvasac vrste Saccharomyces cerevisiae.

PRIRODA • SIJE�ANJ/VELJA�A • 2016. 59

B I O T E H N O L O G I J A

Laboratorij za biokemiju Prehrambeno-biotehnološkog fakulteta

Laboratorij za biokemiju Prehrambeno-biotehnološkog fakul-teta Sveu�ilišta u Zagrebu osnovan je 1956. godine, a prvi pro-�elnik bio mu je prof. emeritus Pavao Mildner. On je imao klju�nu ulogu za stvaranje uvjeta za istraživa�ki rad, tada pr-venstveno usmjeren na istraživanje odnosa strukture i djelo-vanja enzima. Stanice kvasca po�ele su se koristiti kao model-ni organizam u Laboratoriju 1960-tih nakon usavršavanja prof. Blanke Ries, tadašnje asistentice prof. Mildnera, u Teh-ni�kom istraživa�kom centra u Finskoj, u tada novom znan-stvenom podru�ju koje je nazvano biotehnologija. Od tada je kvasac Saccharomyces cerevisiae modelni organizam u našem Laboratoriju, a danas je jedno podru�je znanstvenih istraživa-nja struktura i biosinteza stani�ne stijenke kvasca �iji je glavni istraživa� prof. Vladimir Mrša, a drugo podru�je su mehaniz-mi regulacije ekspresije gena u kvascu koje vodi prof. emeritus Slobodan Barbari�.

Kvasac kao modelni organizam

Stani�na stijenka kvasca predstavlja ekstracelularnu strukturu koja daje mehani�ku stabilnost stanici, selektivno propušta ra-zli�ite molekule u stanicu i iz nje te služi za komunik aciju stanice s okolinom. Proteini vezani na stani�nu stijenku, tzv. glikopro-teini (na proteinski lanac su vezani še�eri u procesu glikozilaci-je proteina) imaju bitnu ulogu u interakcijama stanice s drugim stanicama ili molekulama koje se nalaze u njenoj okolini. Kako se proteini u stani�nu stijenku mogu ugraditi na razli�ite na�i-ne i razli�itim vrstama veza, bitno je razumijevanje njihovih mehanizama ugradnje. Dugo vremena je identifikacija pojedi-na�nih proteina stani�ne stijenke predstavljala problem zbog one�iš�enja intracelularnim proteinima prilikom mehani�kog razaranja stanica. Taj problem riješen je specifi�nim obilježava-njem proteina stani�ne stijenke kvasca biotinom, reagensom koji ne�e u�i u stanice, a vezat �e se na proteine. Korištenjem biotinilacije identificirano je više od 30 razli�itih proteina koji su na strukturne polisaharide u stani�noj stijenci vezani kova-lentnim ili nekovalentnim vezama. Tako veliki broj proteina dugi je niz godina zaokupljao mnoge istraživa�ke grupe u svije-tu, a i naš je Laboratorij dao svoj doprinos u odre�ivanju uloge tih proteina

Uz važnost odre�ivanja uloge pojedinih proteina stijenke istra-živanja su usmjerena i na stani�nu stijenku kao metu za djelo-vanje antimikotika s obzirom na to da stijenka predstavlja vi-talnu stani�nu strukturu. Ta istraživanja bazirana su na inhibiciji jednog od enzima stani�ne stijenke (b-1,3-glukanaza) koji igra ulogu u izgradnji stijenke pa bi njegova inhibicija bila letalna za stanicu kvasca.

sac odli�nim modelnim organizmom za znanstvena istraživa-nja. Drugim rije�ima, neke op�enite zakonitosti stani�ne strukture i funkcije koje su otkrivene znanstvenim istraživanji-ma kvasca mogu se primijeniti na sve eukariotske stanice. Osim toga stanice kvasca rastu brzo (dijele se svakih 90 do 120 minuta) i lako ih je uzgojiti vrlo jednostavnim laboratorijskim tehnikama koriste�i jednostavnu opremu. Važno je napomenu-ti da je kvasac prvi eukariotski organizam kojemu je sekvenci-ran cijeli genom što je u�inilo geneti�ko inženjerstvo u kvascu još prakti�nijim. Sve te �injenice u�inile su kvasac jednim od u�estalih mikroorganizama koji se koristi u biokemijskim, mo-lekularno-biološkim i geneti�kim istraživanjima u laboratoriji-ma širom svijeta. Istraživanja sa stanicama kvasca dovela su do mnogih važnih spoznaja o molekularnim mehanizmima kom-pleksnih bioloških procesa u eukariotskim stanicama.

Kvasac u znanstvenim istraživanjima i industriji

Ve� 70tih godina prošlog stolje�a Leland Hartwell, dobitnik Nobelove nagrade za medicinu 2001. godine, otkrio je proteine važne za odvijanje i regulaciju stani�nog ciklusa koriste�i stani-ce kvasca. Stani�ni ciklus je kompleksan proces koji uklju�uje niz biokemijskih doga�aja u stanici, poput replikacije i razdva-janja DNA u jezgri stanice prije diobe. Kvasac je tako�er uspješno korišten i za istraživanja te razumijevanje uloge telo-mera. Telomere su ponavljaju�e sekvence DNA na krajevima kromosoma koje sprje�avaju razgradnju DNA te se zna da se tijekom životnog vijeka skra�uju što utje�e na starenje stanica. Yoshinori Oshumi, japanski znanstvenik, razjasnio je procese razgradnje sastojaka citoplazme u vakuolama (autofagocitoza) tako�er koriste�i kvasac. Proces autofagocitoze je stani�ni me-hanizam normalnog obnavljanja organela, koji se uklju�uje i kao posljedica starenja ili stresa, ali isto tako ima ulogu u zašti-ti stanica od patogena i rasta tumora. Jedna od vode�ih mole-kularnih biologinja današnjice, Angelica Amon, s MIT-a (Ma-ssachusetts Institute of Technology) smatra da je kvasac idealan modelni organizam za znanstvena istraživanja molekularnih mehanizama jer omogu�uje brži dolazak do spoznaja o stani�-nim procesima koje se onda koriste pri istraživanjima komplek-snijih procesa u stanicama viših eukariota.

Osim u znanstvenim istraživanjima, stanice kvasca koriste se u proizvodnji farmaceutskih i medicinskih biotehnoloških proi-zvoda. Tako je tehnologija geneti�kog inženjerstva korištena kako bi se kvasac geneti�ki izmijenio i mogao proizvoditi cjepi-vo za hepatitis B. Stanice kvasca se koriste i za komercijalnu proizvodnju biofarmaceutskih proteina kao što su inzulin, he-moglobin i albumin ljudskog seruma. Danas su za proizvodnju 20 % od svih proizvedenih proteina u svijetu, koji se koriste u farmaceutici, korištene stanice kvasca.

PRIRODA • SRPANJ/KOLOVOZ • 2015.60

D O G A \ A N J A

PRIRODA • SIJE�ANJ/VELJA�A • 2016.60

B I O T E H N O L O G I J A

Slika 2. Shema gra�e stani�ne stijenke kvasca.

TKO JE AUTOR OVOG �LANKA?

Dr. sc. Igor Stuparevi� zaposlen je kao docent u Laboratoriju za bioke-miju Prehrambeno-biotehnološkog fakulteta Sveu�ilišta u Zagrebu. Uže podru�je njegovog znanstveno-istraživa�kog rada su mehanizmi i uloga nekodiraju�ih RNA u regulaciji transkripcije gena jer njihovo razumije-vanje pridonosi znanju o molekularnim procesima koji dovode do razli-�itih bolesti.

Ste�ena znanja o stani�noj stijenci kvasca omogu�ila su razvoj sustava imobilizacije enzima od interesa na polisaharidnu mre-žu u stani�noj stijenci kvasca. Tako imobilizirani enzimi pri-mjenjivi su u razli�itim sustavima u biotehnologiji poput proi-zvodnje farmaceutskih pripravaka ili razli�itih enzima za upotrebu u prehrambenoj industriji.

Drugo podru�je našeg istraživanja su mehanizmi regulacije procesa transkripcije gena pri �emu je fokus istraživanja na me-hanizmima remodeliranja strukture kromatina pri indukciji gena. Transkripcija je proces sinteze informacijske molekule RNA (mRNA) koji katalizira enzim RNA-polimeraza. Prili-kom transkripcije slijed nukleotida u novosintetiziranoj mRNA odre�en je slijedom na molekuli DNA i proces transkripcije �ini prvi korak u procesu ekspresije gena koja u kona�nici do-vodi do sinteze odre�enog proteina. Molekula DNA u eukari-otskim stanicama je u kompleksu s histonskim proteinima, odnosno u strukturi kromatina.

Regije DNA važne za po�etak i regulaciju transkripcije naziva-ju se promotori. Danas je op�e poznata �injenica da razli�ite kovalentne i strukturne modifikacije kromatina promotorske

regije predstavljaju prvu, bitnu razinu regulacije procesa akti-vacije transkripcije gena. Te razne modifikacije kromatina re-guliraju dostupnost DNA, tj. mogu�nost vezanja RNA-polime-raze i drugih proteina na promotor o �emu ovisi aktivacija odnosno po�etak transkripcije. Naša dugogodišnja istraživanja s promotorom PHO5 kao modelnim sustavom dala su zna�ajan doprinos spoznajama o osnovnim principima i mehanizmima procesa remodeliranja strukture kromatina pri regulaciji tran-skripcije.

Suvremena istraživanja usmjerena su na korištenje najnovijih tehnologija (npr. tehnologija sekvenciranja nove generacije;

PRIRODA • SIJE�ANJ/VELJA�A • 2016. 61

B I O T E H N O L O G I J A

engl. next generation sequensing, NGS) jer te tehnologije zna�aj-no pridonose boljem razumijevanju složenih molekularnih pro-cesa. A kvasac kao modelni organizam ispri�at �e nam još mnogo zanimljivih pri�a i ostati naš vjerni pratitelj još tisu�a-ma godina

Literatura1. Hoffman M. Yeast biology enters a surprising new phase, Science

(March 20, 1992) 1210–1511.

2. Chan K. C. i sur. Kinetic analysis of a molecular model of the bud-ding yeast cell cycle, Mol. Biol. Cell 11 (2000) 369–391.

3. Amon A. B. Unanticipated success stories: an interview with An-gelika Amon, Genetics 198 (2014) 425–426.

4. Mrša V. i sur. Specific labelling of cell wall proteins by biotinylati-on. Identification of four covalently linked O-mannosylated prote-ins of Saccharomyces Cerevisiae, Yeast 13 (1997) 1145–54.

5. Tepari� R., Stuparevi� I. i Mrša V. Incorporation of homologous and heterologous proteins in Saccharomyces cerevisiae cell wall, Food Technol. Biotech. 48 (2010) 317–328.

6. Musladin S., Krietenstein N., Korber P., Barbaric S. The RSC chromatin remodeling complex has a crucial role in the complete remodeler set for yeast PHO5 promoter opening, Nucleic Acids Res. 42 (2014) 4270–4282.

7. Lardenois A., Stuparevic I. i sur. The conserved histone deacetyla-se Rpd3 and its DNA binding subunit Ume6 control dynamic transcript architecture during mitotic growth and meiotic develo-pment Nucleic Acids Res. 43 (2015) 115–128.

Slika 3. Struktura kromatina

KAKO ]ETE POSTATI PRETPLATNIK »PRIRODE«?

1. Po{aljite nam svoju adresu obi~nom po{tom (̂ asopis Priroda, Hrvatsko prirodoslovno dru{tvo, Trg žrtava fašizma 10, 10000 Zagreb), telefo-nom (01-468-0240) ili elektroničkom po{tom (priroda hpd.hr).

2. ̂ ekajte da vam do|e prvi broj Prirode s uplatnicom. Kada je uplatite, postali ste na{ pretplatnik!

ŽELITE LI KUPITI OVAJ BROJ »PRIRODE« JAVITE NAM SE TELEFONOM (01-468-0240)

ILI ELEKTRONIČKOM POŠTOM (priroda hpd.hr). POŽURITE BROJ PRIMJERAKA JE OGRANIČEN.

ŽELITE LI PODRŽATI ČASOPIS »PRIRODA«, JEDAN OD STARIJIH ČASOPISA ZA POPULARIZACIJU

ZNANOSTI U SVIJETU, POSTANITE NAŠ PRETPLATNIK!