Saccharomyces cerevisiae Cinética de crescimento exponencial na cultura de lote para analisar o metabolismo respiratório e fermentação
Summary
Aqui nós apresentamos um protocolo para estimar o metabolismo respiratório e fermentativa por encaixe o crescimento exponencial de Saccharomyces cerevisiae para a equação de crescimento exponencial. Cálculo dos parâmetros cinéticos permite o rastreio das influências de substâncias/compostos na fermentação ou respiração mitocondrial.
Abstract
Células de Saccharomyces cerevisiae na fase exponencial sustentam seu crescimento através da produção de ATP através de fermentação e/ou respiração mitocondrial. A concentração de carbono fermentáveis rege principalmente como as células de levedura geram ATP; assim, a variação nos níveis de carboidratos fermentáveis impulsiona o metabolismo energético de S. cerevisiae. Este documento descreve um método de alta produtividade com base no crescimento exponencial de levedura para estimar os efeitos de alterações de concentração e natureza da fonte de carbono no metabolismo respiratório e fermentação. O crescimento de S. cerevisiae é medido em uma microplaca ou abalado cónico balão através da determinação da densidade óptica (OD) em 600 nm. Então, uma curva de crescimento é construída por plotagem OD versus tempo, que permite a identificação e seleção da fase exponencial e é equipado com a equação de crescimento exponencial para obter parâmetros cinéticos. Taxas de crescimento específico baixo com maiores tempos de duplicação geralmente representam um crescimento respiratório. Por outro lado, maiores taxas de crescimento com baixas vezes dobrando indicam crescimento fermentativa. Estimam-se valores de limite de tempo de duplicação da taxa de crescimento específico usando condições respiratórias ou fermentativa bem conhecidas, como fontes de carbono não-açúcares fermentáveis ou altas concentrações de açúcares fermentáveis. Isto é obtido para cada microrganismo específico. Finalmente, os parâmetros cinéticos calculados são comparados com os valores de limiar para estabelecer se a levedura apresenta crescimento fermentativa e/ou respiratório. A vantagem desse método é sua relativa simplicidade para entender os efeitos de um substância/composto no metabolismo fermentativa ou respiratório. É importante salientar que o crescimento é um complexo e intrincado processo biológico; Portanto, dados preliminares deste método devem ser corroborados pela quantificação do consumo de oxigênio e acúmulo de subprodutos da fermentação. Desse modo, esta técnica pode ser usada como uma triagem preliminar de compostos/substâncias que podem perturbar ou realce o metabolismo fermentativa ou respiratório.
Introduction
Crescimento de Saccharomyces cerevisiae tem servido como uma valiosa ferramenta para identificar dezenas de mecanismos fisiológicos e moleculares. Crescimento é medido principalmente por três métodos: diluições em série para testes, unidades formadoras de colônia contando e curvas de crescimento. Estas técnicas podem ser usadas isoladamente ou em combinação com uma variedade de substratos, condições ambientais, mutantes e produtos químicos para investigar respostas específicas ou fenótipos.
Respiração mitocondrial é um processo biológico em que cinética de crescimento tem sido aplicada com sucesso para descobrir mecanismos desconhecidos. Neste caso, a suplementação de meios de crescimento com carbono não-açúcares fermentáveis fontes como glicerol, lactato ou etanol (que são exclusivamente metabolizada pela respiração mitocondrial), como a única fonte de carbono e energia permite avaliar o crescimento respiratório, que é importante para detectar perturbações na fosforilação oxidativa atividade1. Por outro lado, é complicado de usar modelos de cinética de crescimento como um método para decifrar os mecanismos subjacentes a fermentação.
O estudo da fermentação e respiração mitocondrial é essencial para elucidar os mecanismos moleculares por trás de certos fenótipos como o Crabtree e Warburg efeitos2,3. O efeito Crabtree é caracterizado por um aumento de fluxo glicolítico, repressão da respiração mitocondrial e estabelecimento de fermentação como o principal caminho para gerar ATP na presença de altas concentrações de carboidratos fermentáveis (> 0,8 mM)4,5. O efeito Warburg é metabolicamente analógico ao efeito Crabtree, com a diferença sendo que em células de mamíferos, o principal produto da fermentação é lactato6. Com efeito, o efeito Warburg é exibido por uma variedade de células cancerosas, provocando a absorção de glicose e de consumo, mesmo na presença de oxigênio7. Desse modo, estudar a base molecular do interruptor da respiração para fermentação no efeito Crabtree tem repercussões biotecnológicas (para produção de etanol) e potenciais impactos na pesquisa do câncer.
Crescimento de S. cerevisiae pode ser uma ferramenta adequada para estudar os efeitos de Crabtree e Warburg. Essa ideia é baseada no fato de que na fase exponencial de levedura, as vias centrais usadas para produzir ATP são respiração mitocondrial e a fermentação, que são essenciais para sustentar o crescimento. Por exemplo, o crescimento de S. cerevisiae é intimamente relacionado à função de caminhos de geração de ATP. Em moléculas de S. cerevisiae, o respiração mitocondrial produz aproximadamente 18 ATP por molécula de glicose, Considerando que a fermentação gera apenas 2 moléculas de ATP, portanto, espera-se que a taxa de crescimento tem apertadas ligações com as vias metabólicas produzir ATP8. A este respeito, quando a fermentação é a principal rota para gerar ATP, o fermento compensa a baixa produção de ATP, aumentando a taxa de absorção de glicose. Pelo contrário, o consumo de glicose pelas células de fermento que usam a respiração mitocondrial como a principal fonte de ATP é baixo. Isto indica que é importante para o fermento para disponibilidade de carboidratos de sentido antes de determinar como ATP será gerado. Portanto, a disponibilidade de glicose desempenha um papel importante no switch entre fermentação e respiração mitocondrial em S. cerevisiae. Na presença de quantidades elevadas de glicose, a levedura prefere fermentação como a rota central para gerar ATP. Curiosamente, quando o fermento é a fermentação, a taxa de crescimento específico é mantida no seu máximo. Por outro lado, sob níveis baixos de glicose, S. cerevisiae produz ATP usando respiração mitocondrial, a manutenção de baixas taxas de crescimento. Desse modo, a variação na concentração de glicose e a utilização de outras fontes de carbono induzir mudanças na preferência da levedura entre crescimento fermentativa e respiratório. Tendo em conta este facto com a equação de crescimento exponencial, pode-se obter o significado biológico de parâmetros cinéticos como a duplicação de tempo (Dt) e a taxa de crescimento específico (µ). Por exemplo, valores mais baixos µ foram encontrados quando a levedura utiliza respiração mitocondrial como o caminho principal. Pelo contrário, sob condições que favorecem a fermentação, foram encontrados valores superiores de µ . Esta metodologia pode ser utilizada para medir os prováveis mecanismos de quaisquer produtos químicos que afetam a fermentação e a respiração mitocondrial em S. cerevisiae.
O objetivo deste trabalho é propor um método baseado na cinética de crescimento para os efeitos de um determinada substância/composto na fermentação ou respiração mitocondrial de triagem.
Protocol
Representative Results
Discussion
Muito tempo se passou desde que J. Monod10 expressa que o estudo do crescimento de culturas bacterianas é o método básico de microbiologia. O advento das ferramentas moleculares atrasa o uso e o estudo do crescimento como uma técnica. Apesar da complexidade de crescimento que envolve inúmeros processos inter-relacionados, seus mecanismos subjacentes podem ser descritos usando modelos matemáticos11. Esta é uma abordagem robusta que pode ser usada como uma ferramenta c…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este projecto foi apoiado por subsídios do Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (número de concessão 293940) e Fundación TELMEX-TELCEL (número de concessão 162005585), ambos de IKOM.
Materials
| Orbital Shaker | Thermo Scientific | 4353 | For inoculum incubation or conical fask cultures |
| Bioscreen | Growth curves | C MBR | For batch cultures in microplates |
| Glucose | Sigma | G7021 | For YPD broth preparation |
| Peptone from casein, enzymatic digest | Sigma | 82303 | For YPD broth preparation |
| Yeast extract | Sigma | 09182-1KG-F | For YPD broth preparation |
| Bacteriological Agar | Sigma | A5306 | For YPD agar preparation |
| NaH2PO4 | Sigma | S8282 | For SC broth preparation |
| (NH4)2SO4 | Sigma | A4418 | For SC broth preparation |
| Yeast nitrogen base without amino acids and ammonium sulfate | Sigma | Y1251 | For SC broth preparation |
| Yeast synthetic drop-Out medium supplements | Sigma | Y1501 | For SC broth preparation |
| Ammonium sulfate granular | J.T. Baker | 0792-R | For medium supplementation example |
| Resveratrol | Sigma | R5010 | For medium supplementation example |
| Galactose | Sigma | G8270 | For medium supplementation example |
| Sucrose | Sigma | S7903 | For medium supplementation example |
| Absolut ethanol | Merck | 107017 | For medium supplementation example |
| Glycerol | J.T. Baker | 2136-01 | For medium supplementation example |
| GraphPad Prism | GraphPad Software | For data analysis | |
| Honeycomb microplates | Thermo Scientific | 9502550 | For microplate cultures |
Riferimenti
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